Abstract Being a morning person is a behavioural indicator of a person’s underlying circadian rhythm. Using genome-wide data from 697,828 UK Biobank and 23andMe participants we increase the number of genetic loci associated with being a morning person from 24 to 351. Using data from 85,760 individuals with activity-monitor derived measures of sleep timing we find that the chronotype loci associate with sleep timing: the mean sleep timing of the 5% of individuals carrying the most morningness alleles is 25 min earlier than the 5% carrying the fewest. The loci are enriched for genes involved in circadian regulation, cAMP, glutamate and insulin signalling pathways, and those expressed in the retina, hindbrain, hypothalamus, and pituitary. Using Mendelian Randomisation, we show that being a morning person is causally associated with better mental health but does not affect BMI or risk of Type 2 diabetes. This study offers insights into circadian biology and its links to disease in humans.

Autism spectrum disorder (ASD) defines a group of common, complex neurodevelopmental disorders. Although the aetiology of ASD has a strong genetic component, there is considerable monozygotic (MZ) twin discordance indicating a role for non-genetic factors. Because MZ twins share an identical DNA sequence, disease-discordant MZ twin pairs provide an ideal model for examining the contribution of environmentally driven epigenetic factors in disease. We performed a genome-wide analysis of DNA methylation in a sample of 50 MZ twin pairs (100 individuals) sampled from a representative population cohort that included twins discordant and concordant for ASD, ASD-associated traits and no autistic phenotype. Within-twin and between-group analyses identified numerous differentially methylated regions associated with ASD. In addition, we report significant correlations between DNA methylation and quantitatively measured autistic trait scores across our sample cohort. This study represents the first systematic epigenomic analyses of MZ twins discordant for ASD and implicates a role for altered DNA methylation in autism.

Abstract Alternative splicing is a post-transcriptional regulatory mechanism producing multiple distinct mRNA molecules from a single pre-mRNA. Alternative splicing has a prominent role in the central nervous system, impacting neurodevelopment and various neuronal functions as well as being increasingly implicated in brain disorders including autism, schizophrenia and Alzheimer’s disease. Standard short-read RNA-Seq approaches only sequence fragments of the mRNA molecule, making it difficult to accurately characterize the true nature of RNA isoform diversity. In this study, we used long-read isoform sequencing (Iso-Seq) to generate full-length cDNA sequences and map transcript diversity in the human and mouse cerebral cortex. We identify widespread RNA isoform diversity amongst expressed genes in the cortex, including many novel transcripts not present in existing genome annotations. Alternative splicing events were found to make a major contribution to RNA isoform diversity in the cortex, with intron retention being a relatively common event associated with nonsense-mediated decay and reduced transcript expression. Of note, we found evidence for transcription from novel (unannotated genes) and fusion events between neighbouring genes. Although global patterns of RNA isoform diversity were found to be generally similar between human and mouse cortex, we identified some notable exceptions. We also identified striking developmental changes in transcript diversity, with differential transcript usage between human adult and fetal cerebral cortex. Finally, we found evidence for extensive isoform diversity in genes associated with autism, schizophrenia and Alzheimer’s disease. Our data confirm the importance of alternative splicing in the cerebral cortex, dramatically increasing transcriptional diversity and representing an important mechanism underpinning gene regulation in the brain. We provide this transcript level data as a resource to the scientific community.

Abstract Germline mutations in fundamental epigenetic regulatory molecules including DNA methyltransferase 3A ( DNMT3A ) are commonly associated with growth disorders, whereas somatic mutations are often associated with malignancy. We profiled genome-wide DNA methylation patterns in DNMT3A c.2312G>A; p.(Arg771Gln) carriers in a large Amish sibship with Tatton-Brown-Rahman syndrome (TBRS), their mosaic father and 15 TBRS patients with distinct pathogenic de novo DNMT3A variants. This defined widespread DNA hypomethylation at specific genomic sites enriched at locations annotated to genes involved in morphogenesis, development, differentiation, and malignancy predisposition pathways. TBRS patients also displayed highly accelerated DNA methylation aging. Notably, these findings were most striking in a carrier of the AML associated driver mutation p.Arg882Cys. Our studies additionally defined phenotype related accelerated and decelerated epigenetic aging in two histone methyltransferase disorders; NSD1 Sotos syndrome overgrowth disorder and KMT2D Kabuki syndrome growth impairment. Together, our findings provide fundamentally new insights into aberrant epigenetic mechanisms, the role of epigenetic machinery maintenance and determinants of biological aging in these growth disorders.

Abstract Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD) is an age-related cause of vision loss, and the most common repeat expansion-mediated disease in humans characterised to date. Up to 80% of European FECD cases have been attributed to expansion of a non-coding CTG repeat element (termed CTG18.1) located within the ubiquitously expressed transcription factor encoding gene, TCF4 . The non-coding nature of the repeat and the transcriptomic complexity of TCF4 have made it extremely challenging to experimentally decipher the molecular mechanisms underlying this disease. Here we comprehensively describe CTG18.1 expansion-driven molecular components of disease within primary patient-derived corneal endothelial cells (CECs), generated from a large cohort of individuals with CTG18.1-expanded (Exp+) and CTG 18.1-independent (Exp-) FECD. We employ long-read, short-read, and spatial transcriptomic techniques to interrogate expansion-specific transcriptomic biomarkers. Interrogation of long-read sequencing and alternative splicing analysis of short-read transcriptomic data together reveals the global extent of altered splicing occurring within Exp+ FECD, and unique transcripts associated with CTG18.1-expansions. Similarly, differential gene expression analysis highlights the total transcriptomic consequences of Exp+ FECD within CECs. Furthermore, differential exon usage, pathway enrichment and spatial transcriptomics reveal TCF4 isoform ratio skewing solely in Exp+ FECD with potential downstream functional consequences. Lastly, exome data from 134 Exp- FECD cases identified rare (minor allele frequency <0.005) and potentially deleterious (CADD>15) TCF4 variants in 7/134 FECD Exp- cases, suggesting that TCF4 variants independent of CTG18.1 may increase FECD risk. In summary, our study supports the hypothesis that at least two distinct pathogenic mechanisms, RNA toxicity and TCF4 isoform-specific dysregulation, both underpin the pathophysiology of FECD. We anticipate these data will inform and guide the development of translational interventions for this common triplet-repeat mediated disease. Author’s summary Fuchs endothelial corneal dystrophy (FECD) leads to vision loss and is the most common repeat expansion-mediated disease characterised to date; most individuals with FECD harbour a non-coding CTG repeat expansion within the gene TCF4 . FECD represents an important paradigm for other rare and devastating neurological repeat-mediated diseases, given its relatively mild and tissue-specific nature. Intriguingly, despite TCF4 being ubiquitously expressed, individuals with FECD only experience corneal disease, and the biological reason for this tissue-specificity remains elusive. Here, we use tissue from 31 individuals with FECD to perform complementary long-read, short-read and spatial transcriptomic analyses to enhance our understanding of mechanisms underpinning this disease. These data highlight that at least two mechanisms, RNA toxicity and TCF4 isoform dysregulation, underlie the disease state in affected corneal cells. Furthermore, TCF4 isoform skewing, with evidence of downregulation, suggests this mechanism in part may explain the unique vulnerability of the cornea. In addition, 7/134 FECD expansion negative cases were identified to harbour rare and potentially deleterious TCF4 variants, further supporting the hypothesis that dysregulation of TCF4 may be key to FECD pathophysiology. Biological insights presented here will guide the development of personalised FECD therapies and may inform the development of repeat-expansion mediated therapies more broadly.

Abstract Increasing evidence suggests that alternative splicing plays an important role in Alzheimer’s disease (AD) pathology. We used long-read sequencing in combination with a novel bioinformatics tool ( FICLE ) to profile transcript diversity in the entorhinal cortex of female transgenic (TG) mice harboring a mutant form of human tau. Our analyses revealed hundreds of novel isoforms and identified differentially expressed transcripts – including specific isoforms of Apoe , App , Cd33 , Clu , Fyn and Trem2 – associated with the development of tau pathology in TG mice. Subsequent profiling of the human cortex from AD individuals and controls revealed similar patterns of transcript diversity, including the upregulation of the dominant TREM2 isoform in AD paralleling the increased expression of the homologous transcript in TG mice. Our results highlight the importance of differential transcript usage, even in the absence of gene-level expression alterations, as a mechanism underpinning gene regulation in the development of AD neuropathology.

ABSTRACT Alternative splicing is a post-transcriptional mechanism that increases the diversity of expressed transcripts and plays an important role in regulating gene expression in the developing central nervous system. We used long-read transcriptome sequencing to characterise the structure and abundance of full-length transcripts in the human cortex from donors aged 6 weeks post-conception to 83 years old. We identified thousands of novel transcripts, with dramatic differences in the diversity of expressed transcripts between prenatal and postnatal cortex. A large proportion of these previously uncharacterised transcripts have high coding potential, with corresponding peptides detected in proteomic data. Novel putative coding sequences are highly conserved and overlap de novo mutations in genes linked with neurodevelopmental disorders in individuals with relevant clinical phenotypes. Our findings underscore the potential of novel coding sequences to harbor clinically relevant variants, offering new insights into the genetic architecture of human disease. Our cortical transcript annotations are available as a resource to the research community via an online database.

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 Most epigenetic epidemiology to date has utilized microarrays to identify positions in the genome where variation in DNA methylation is associated with environmental exposures or disease. However, these profile less than 3% of DNA methylation sites in the human genome, potentially missing affected loci and preventing the discovery of disrupted biological pathways. Third generation sequencing technologies, including Nanopore sequencing, have the potential to revolutionise the generation of epigenetic data, not only by providing genuine genome-wide coverage but profiling epigenetic modifications direct from native DNA. Here we assess the viability of using Nanopore sequencing for epidemiology by performing a comparison with DNA methylation quantified using the most comprehensive microarray available, the Illumina EPIC array. We implemented a CRISPR-Cas9 targeted sequencing approach in concert with Nanopore sequencing to profile DNA methylation in three genomic regions to attempt to rediscover genomic positions that existing technologies have shown are differentially methylated in tobacco smokers. Using Nanopore sequencing reads, DNA methylation was quantified at 1,779 CpGs across three regions, providing a finer resolution of DNA methylation patterns compared to the EPIC array. The correlation of estimated levels of DNA methylation between platforms was high. Furthermore, we identified 12 CpGs where hypomethylation was significantly associated with smoking status, including 10 within the AHRR gene. In summary, Nanopore sequencing is a valid option for identifying genomic loci where large differences in DNAm are associated with a phenotype and has the potential to advance our understanding of the role differential methylation plays in the aetiology of complex disease.

INTRODUCTION Stroke/thromboembolic events, infections and death are all significantly increased by antipsychotics in dementia but little is known about why they can be harmful. Using a novel application of a drug repurposing paradigm, we aimed to identify potential mechanisms underlying adverse events.METHOD Whole transcriptome signatures were generated for SH-SY5Y cells treated with amisulpride, risperidone and volinanserin using RNA-sequencing. Bioinformatic analysis was performed which scored the association between antipsychotic signatures and expression data from 415,252 samples in the NCBI GEO repository.RESULTS Atherosclerosis, venous thromboembolism and influenza NCBI GEO-derived samples scored positively against antipsychotic signatures. Pathways enriched in antipsychotic signatures were linked to the cardiovascular and immune systems (e.g. BDNF, PDGFR-beta, TNF, TGF-beta, selenoamino acid metabolism and influenza infection).CONCLUSION These findings for the first time mechanistically link antipsychotics to specific cardiovascular and infectious diseases which are known side effects of their use in dementia, providing new information to explain related adverse events.### Competing Interest StatementCB has received grants and personal fees from ACADIA Pharmaceuticals and Lundbeck, and personal fees from Heptares, Roche, Lilly, Otsuka, Orion, GlaxoSmithKline and Pfizer. DAC is an employee of Eli Lilly and Company Ltd.