Abstract The size of the human head is determined by growth in the first years of life, while the rest of the body typically grows until early adulthood 1 . Such complex developmental processes are regulated by various genes and growth pathways 2 . Rare genetic syndromes have revealed genes that affect head size 3 , but the genetic drivers of variation in head size within the general population remain largely unknown. To elucidate biological pathways underlying the growth of the human head, we performed the largest genome-wide association study on human head size to date (N = 79,107). We identified 67 genetic loci, 50 of which are novel, and found that these loci are preferentially associated with head size and mostly independent from height. In subsequent neuroimaging analyses, the majority of genetic variants demonstrated widespread effects on the brain, whereas the effects of 17 variants could be localized to one or two specific brain regions. Through hypothesis-free approaches, we find a strong overlap of head size variants with both cancer pathways and cancer genes. Gene set analyses showed enrichment for different types of cancer and the p53, Wnt and ErbB signalling pathway. Genes overlapping or close to lead variants – such as TP53 , PTEN and APC – were enriched for genes involved in macrocephaly syndromes (up to 37-fold) and high-fidelity cancer genes (up to 9-fold), whereas this enrichment was not seen for human height variants. This indicates that genes regulating early brain and cranial growth are associated with a propensity to neoplasia later in life, irrespective of height. Our results warrant further investigations of the link between head size and cancer, as well as its clinical implications in the general population.

ABSTRACT Dementia is multifactorial with Alzheimer (AD) and vascular (VaD) pathologies making the largest contributions. Genome-wide association studies (GWAS) have identified over 70 genetic risk loci for AD but the genomic determinants of other dementias, including VaD remain understudied. We hypothesize that common forms of dementia will share genetic risk factors and conducted the largest GWAS to date of “all-cause dementia” (ACD) and examined the genetic overlap with VaD. Our dataset includes 809,299 individuals from European, African, Asian, and Hispanic ancestries with 46,902 and 8,702 cases of ACD and VaD, respectively. We replicated known AD loci at genome-wide significance for both ACD and VaD and conducted bioinformatic analyses to prioritize genes that are likely functionally relevant, and shared with closely related traits and risk factors. For ACD, novel loci identified were associated with energy transport ( SEMA4D ), neuronal excitability ( ANO3 ), amyloid deposition in the brain ( RBFOX1 ), and MRI markers of small vessel disease ( HBEGF ). Novel VaD loci were associated with hypertension, diabetes, and neuron maintenance ( SPRY2, FOXA2, AJAP1 , and PSMA3 ). Our study identified genetic risks underlying all-cause dementia, demonstrating overlap with neurodegenerative processes, vascular risk factors (Type-II diabetes, blood pressure, lipid) and cerebral small vessel disease. These novel insights could lead to new prevention and treatment strategies for all dementias.

General cognitive function is a prominent human trait associated with many important life outcomes including longevity. The substantial heritability of general cognitive function is known to be polygenic, but it has had little explication in terms of the contributing genetic variants. Here, we combined cognitive and genetic data from the CHARGE and COGENT consortia, and UK Biobank (total N=280,360; age range = 16 to 102). We found 9,714 genome-wide significant SNPs (P<5 x 10-8) in 99 independent loci. Most showed clear evidence of functional importance. Among many novel genes associated with general cognitive function were SGCZ, ATXN1, MAPT, AUTS2, and P2RY6. Within the novel genetic loci were variants associated with neurodegenerative disorders, neurodevelopmental disorders, physical and psychiatric illnesses, brain structure, and BMI. Gene-based analyses found 536 genes significantly associated with general cognitive function; many were highly expressed in the brain, and associated with neurogenesis and dendrite gene sets. Genetic association results predicted up to 4% of general cognitive function variance in independent samples. There was significant genetic overlap between general cognitive function and information processing speed, as well as many health variables including longevity.

The cerebral cortex underlies our complex cognitive capabilities, yet we know little about the specific genetic loci influencing human cortical structure. To identify genetic variants, including structural variants, impacting cortical structure, we conducted a genome-wide association meta-analysis of brain MRI data from 51,662 individuals. We analysed the surface area and average thickness of the whole cortex and 34 regions with known functional specialisations. We identified 255 nominally significant loci ( P ≤ 5 × 10−8); 199 survived multiple testing correction ( P ≤ 8.3 × 10−10; 187 surface area; 12 thickness). We found significant enrichment for loci influencing total surface area within regulatory elements active during prenatal cortical development, supporting the radial unit hypothesis. Loci impacting regional surface area cluster near genes in Wnt signalling pathways, known to influence progenitor expansion and areal identity. Variation in cortical structure is genetically correlated with cognitive function, Parkinson’s disease, insomnia, depression and ADHD.One Sentence Summary Common genetic variation is associated with inter-individual variation in the structure of the human cortex, both globally and within specific regions, and is shared with genetic risk factors for some neuropsychiatric disorders.

Subcortical brain structures are integral to motion, consciousness, emotions, and learning. We identified common genetic variation related to the volumes of nucleus accumbens, amygdala, brainstem, caudate nucleus, globus pallidus, putamen, and thalamus, using genome-wide association analyses in over 40,000 individuals from CHARGE, ENIGMA and the UK-Biobank. We show that variability in subcortical volumes is heritable, and identify 25 significantly associated loci (20 novel). Annotation of these loci utilizing gene expression, methylation, and neuropathological data identified 62 candidate genes implicated in neurodevelopment, synaptic signaling, axonal transport, apoptosis, and susceptibility to neurological disorders. This set of genes is significantly enriched for Drosophila orthologs associated with neurodevelopmental phenotypes, suggesting evolutionarily conserved mechanisms. Our findings uncover novel biology and potential drug targets underlying brain development and disease.

Background: Amyloid β (Aβ) peptides are the products of the catalytic processing of the Aβ precursor protein (APP) by the β-secretase, BACE1 and the γ-secretase complex. Impairment of the Aβ production/clearance balance is the major pathophysiological hypothesis in Alzheimer's disease. Plasma Aβ levels are easy to measure in large numbers and therefore can be used as an endophenotype to study the genetics of Aβ and its relevance to AD. Methods: We performed genome-wide association studies (GWAS) of plasma Aβ1-40, Aβ1-42 and Aβ1-42/Aβ1-40 ratio in 12,369 non-demented participants across 8 studies, using genetic data imputed on the 1000 Genomes phase 1 version 3 reference panel. To gain further insight, we performed LD-score regression analysis of plasma Aβ-42 and Aβ-40 levels using previously published GWAS of AD and other related traits, and pathway analyses. Results: We identified 21 variants reaching genome-wide significance across two loci. The most significant locus spanned the APOE gene, with significant associations with plasma Aβ42 levels (p = 9.01×10-13) and plasma Aβ42/Aβ40 ratio (p = 6.46×10-20). The second locus was located on chromosome 11, near the BACE1 gene (p = 2.56×10-8). We also observed suggestive evidence of association (p < 1×10-5) around genes involved in Aβ metabolism including APP and PSEN2. Conclusion: Using plasma Aβ40 and Aβ42 levels, this GWAS was able to identify relevant and central actors of the APP metabolism in AD. Overall, this study strengthens the utility of plasma Aβ levels both as an endophenotype and a biomarker.

Abstract A bidirectional communication exists between the brain and the gut, in which the gut microbiota influences cognitive function and vice-versa. Gut dysbiosis has been linked to several diseases, including Alzheimer’s disease and related dementias (ADRD). However, the relationship between gut dysbiosis and markers of cerebral small vessel disease (cSVD), a major contributor to ADRD, is unknown. In this cross-sectional study, we examined the connection between the gut microbiome, cognitive, and neuroimaging markers of cSVD in the Framingham Heart Study (FHS). Markers of cSVD included white matter hyperintensities (WMH), peak width of skeletonized mean diffusivity (PSMD), and executive function (EF), estimated as the difference between the trail-making tests B and A. We included 972 FHS participants with MRI scans, neurocognitive measures, and stool samples and quantified the gut microbiota composition using 16S rRNA sequencing. We used multivariable association and differential abundance analyses adjusting for age, sex, BMI, and education level to estimate the association between gut microbiota and WMH, PSMD, and EF measures. Our results suggest an increased abundance of Pseudobutyrivibrio and Ruminococcus genera was associated with lower WMH and PSMD (p-values < 0.001), as well as better executive function (p-values < 0.01). In addition, in both differential and multivariable analyses, we found that the gram-negative bacterium Barnesiella intestinihominis was strongly associated with markers indicating a higher cSVD burden. Finally, functional analyses using PICRUSt implicated various KEGG pathways, including microbial quorum sensing, AMP/GMP-activated protein kinase, phenylpyruvate, and β-hydroxybutyrate production previously associated with cognitive performance and dementia. Our study provides important insights into the association between the gut microbiome and cSVD, but further studies are needed to replicate the findings.