ABSTRACT Epigenome-wide association studies of Alzheimer’s disease have highlighted neuropathology-associated DNA methylation differences, although existing studies have been limited in sample size and utilized different brain regions. Here, we combine data from six DNA methylomic studies of Alzheimer’s disease (N=1,453 unique individuals) to identify differential methylation associated with Braak stage in different brain regions and across cortex. We identify 236 CpGs in the prefrontal cortex, 95 CpGs in the temporal gyrus and ten CpGs in the entorhinal cortex at Bonferroni significance, with none in the cerebellum. Our cross-cortex meta-analysis (N=1,408 donors) identifies 220 CpGs associated with neuropathology, annotated to 121 genes, of which 84 genes have not been previously reported at this significance threshold. We have replicated our findings using two further DNA methylomic datasets consisting of a further > 600 unique donors. The meta-analysis summary statistics are available in our online data resource ( www.epigenomicslab.com/ad-meta-analysis/ ).

ABSTRACT Alzheimer’s disease (AD) is a chronic neurodegenerative disease characterized by the progressive accumulation of amyloid-beta and neurofibrillary tangles of tau in the neocortex. Utilizing extensive neuropathology data from the Brains for Dementia Research (BDR) cohort we performed the most systematic epigenome-wide association study (EWAS) of multiple measures of AD neuropathology yet undertaken, profiling DNA methylation in two cortical regions from 631 donors. We meta-analyzed our results with those from previous studies of DNA methylation in AD cortex (total n = 2,013 donors), identifying 334 cortical differentially methylated positions (DMPs) associated with AD pathology including methylomic variation at novel loci not previously implicated in dementia. We subsequently characterized DNA methylation in purified nuclei populations - enriched for neurons, oligodendrocytes and microglia - exploring the extent to which cortex AD-associated DMPs reflect differences manifest in specific cell populations. We find that the majority of DMPs identified in ‘bulk’ cortex tissue actually reflect DNA methylation differences occurring in non-neuronal cells, with dramatically increased effect sizes observed in microglia-enriched nuclei populations. Our study highlights the power of utilizing multiple measures of neuropathology to identify epigenetic signatures of AD and the importance of characterizing disease-associated variation in purified neural cell-types.

Abstract Introduction In the progressive phase of multiple sclerosis (MS), the hampered differentiation capacity of oligodendrocyte precursor cells (OPCs) eventually results in remyelination failure. We have previously shown that DNA methylation of Id2/Id4 is highly involved in OPC differentiation and remyelination. In this study, we took an unbiased approach by determining genome-wide DNA methylation patterns within chronically demyelinated MS lesions and investigated how certain epigenetic signatures relate to OPC differentiation capacity. Methods We compared genome-wide DNA methylation and transcriptional profiles between chronically demyelinated MS lesions and matched normal-appearing white matter (NAWM), making use of post-mortem brain tissue (n=9/group). DNA methylation differences that inversely correlated with mRNA expression of their corresponding genes were validated for their cell-type specificity in laser-captured OPCs using pyrosequencing. The CRISPR-dCas9-DNMT3a/TET1 system was used to epigenetically edit human-iPSC-derived oligodendrocytes to assess the effect on cellular differentiation. Results Our data show hypermethylation of CpGs within genes that cluster in gene ontologies related to myelination and axon ensheathment. Cell type-specific validation indicates a region-dependent hypermethylation of MBP , encoding for myelin basic protein, in OPCs obtained from white matter lesions compared to NAWM-derived OPCs. By altering the DNA methylation state of specific CpGs within the promotor region of MBP , using epigenetic editing, we show that cellular differentiation can be bidirectionally manipulated using the CRISPR-dCas9-DNMT3a/TET1 system in vitro . Conclusion Our data indicate that OPCs within chronically demyelinated MS lesions acquire an inhibitory phenotype, which translates into hypermethylation of crucial myelination related genes. Altering the epigenetic status of MBP can restore the differentiation capacity of OPCs and possibly boost (re)myelination.

Abstract INTRODUCTION Not all APOE ε4 carriers who survive to advanced age develop Alzheimer’s disease (AD); factors attenuating the risk of ε4 on AD may exist. METHODS Guided by the top ε4-attenuating signals from methylome-wide association analyses (N=572, ε4+ and ε4-) of neurofibrillary tangles and neuritic plaques, we conducted a meta-analysis for pathological AD within the ε4+ subgroups (N=235) across four independent collections of brains. Cortical RNA-seq and microglial morphology measurements were used in functional analyses. RESULTS Three out of the four significant CpG dinucleotides were captured by one principle component (PC1), which interacts with ε4 on AD, and is associated with expression of innate immune genes and activated microglia. In ε4 carriers, reduction in each unit of PC1 attenuated the odds of AD by 58% (OR=2.39, 95%CI=[1.64,3.46], P =7.08×10 −6 ). DISCUSSION An epigenomic factor associated with a reduced proportion of activated microglia appears to attenuate the risk of ε4 on AD.

Abstract Induced pluripotent stem cells (iPSCs) and their differentiated neurons (iPSC-neurons) are a widely used cellular model in the research of the central nervous system. However, it is unknown how well they capture age-associated processes, particularly given that pluripotent cells are only present during the earliest stages of mammalian development. Epigenetic clocks utilize coordinated age-associated changes in DNA methylation to make predictions that correlate strongly with chronological age. It has been shown that the induction of pluripotency rejuvenates predicted epigenetic age. As existing clocks are not optimized for the study of brain development, we developed the fetal brain clock (FBC), a bespoke epigenetic clock trained in human prenatal brain samples in order to investigate more precisely the epigenetic age of iPSCs and iPSC-neurons. The FBC was tested in two independent validation cohorts across a total of 194 samples, confirming that the FBC outperforms other established epigenetic clocks in fetal brain cohorts. We applied the FBC to DNA methylation data from iPSCs and iPSC-derived neuronal precursor cells and neurons, finding that these cell types are epigenetically characterized as having an early fetal age. Furthermore, while differentiation from iPSCs to neurons significantly increases epigenetic age, iPSC-neurons are still predicted as being fetal. Together our findings reiterate the need to better understand the limitations of existing epigenetic clocks for answering biological research questions and highlight a limitation of iPSC-neurons as a cellular model of age-related diseases.

Abstract INTRODUCTION The established link between DNA methylation and pathophysiology of dementia, along with its potential role as a molecular mediator of lifestyle and environmental influences, positions blood‐derived DNA methylation as a promising tool for early dementia risk detection. METHODS In conjunction with an extensive array of machine learning techniques, we employed whole blood genome‐wide DNA methylation data as a surrogate for 14 modifiable and non‐modifiable factors in the assessment of dementia risk in independent dementia cohorts. RESULTS We established a multivariate methylation risk score (MMRS) for identifying mild cognitive impairment cross‐sectionally, independent of age and sex ( P = 2.0 × 10 −3 ). This score significantly predicted the prospective development of cognitive impairments in independent studies of Alzheimer's disease (hazard ratio for Rey's Auditory Verbal Learning Test (RAVLT)‐Learning = 2.47) and Parkinson's disease (hazard ratio for MCI/dementia = 2.59). DISCUSSION Our work shows the potential of employing blood‐derived DNA methylation data in the assessment of dementia risk. Highlights We used whole blood DNA methylation as a surrogate for 14 dementia risk factors. Created a multivariate methylation risk score for predicting cognitive impairment. Emphasized the role of machine learning and omics data in predicting dementia. The score predicts cognitive impairment development at the population level.

Background: Epigenetic mechanisms have been suggested to play a role in the development of post-traumatic stress disorder (PTSD). Here, blood-derived DNA methylation data (HumanMethylation450 BeadChip) collected prior to and following combat exposure in three cohorts composed of male military members were combined to assess whether DNA methylation profiles are associated with the development of PTSD. Methods: A total of 123 cases and 143 trauma-exposed controls were included. The Psychiatric Genomics Consortium (PGC) PTSD EWAS QC pipeline was used on all cohorts, and results were combined using a sample size weighted meta-analysis. We first combined two cohorts in a discovery stage (N=126 and 78), sought targeted replication in the third cohort (N=62) and then performed a meta-analysis of all three datasets. Results: The discovery stage identified four CpG sites in which, conditional on pre-deployment DNA methylation, post-deployment DNA methylation was associated with PTSD status after adjustment for multiple comparisons. The most significant CpG (p = 1.0 x 10-08) was located on 5q31 and replicated in the third cohort. When combining all cohorts, this intergenic site remained most significant along with two CpGs located in MAD1L1 and HEXDC. Interestingly, the CpG site of MAD1L1 had an underlying single nucleotide polymorphism (SNP) which was located within the same LD block as a recently identified PTSD-associated SNP. Twelve differential methylated regions (DMRs) were also identified, one of which was located in MAD1L1 and four were situated in the human leukocyte antigen (HLA) region. Conclusion: This study suggests that the development of PTSD is associated with distinct methylation patterns in several genomic positions and regions. Our most prominent finding points to the involvement of MAD1L1 which was previously associated with PTSD.

Abstract Parkinson’s disease is a highly heterogeneous disorder, encompassing a complex spectrum of clinical presentation including motor, sleep, cognitive and neuropsychiatric symptoms. We aimed to investigate genome-wide DNA methylation networks in post-mortem Parkinson’s disease brain samples and test for region-specific association with common neuropsychiatric and cognitive symptoms. Of traits tested, we identify a co-methylation module in the substantia nigra with significant correlation to depressive symptoms and with ontological enrichment for terms relevant to neuronal and synaptic processes. Notably, expression of the genes annotated to the methylation loci present within this module are found to be significantly enriched in neuronal subtypes within the substantia nigra. These findings highlight the potential involvement of neuronal-specific changes within the substantia nigra with regard to depressive symptoms in Parkinson’s disease.

Abstract Recent studies have demonstrated that the dorsal raphe nucleus (DRN) is among the first brain regions affected in Alzheimer’s disease. Hence, in this study we conducted the first comprehensive epigenetic analysis of the DRN in AD, targeting both bulk tissue and single isolated cells. The Illumina Infinium MethylationEPIC BeadChip array was used to analyze the bulk tissue, assessing differentially modified positions (DMoPs) and regions (DMoRs) associated with Braak stage. The strongest Braak stage-associated DMoR in TNXB was targeted in a second patient cohort utilizing single laser-capture microdissected serotonin-positive (5-HT+) and -negative (5-HT-) cells isolated from the DRN. Our study revealed previously identified epigenetic loci, including TNXB and PGLYRP1 , and novel loci, including RBMXL2 , CAST , GNAT1 , MALAT1 , and DNAJB13 . Strikingly, we found that the methylation profile of TNXB depends both on disease phenotype and cell type analyzed, emphasizing the significance of single cell(-type) neuroepigenetic studies in AD.