Variable, glutamine-encoding, CAA interruptions indicate that a property of the uninterrupted HTT CAG repeat sequence, distinct from the length of huntingtin's polyglutamine segment, dictates the rate at which Huntington's disease (HD) develops. The timing of onset shows no significant association with HTT cis-eQTLs but is influenced, sometimes in a sex-specific manner, by polymorphic variation at multiple DNA maintenance genes, suggesting that the special onset-determining property of the uninterrupted CAG repeat is a propensity for length instability that leads to its somatic expansion. Additional naturally occurring genetic modifier loci, defined by GWAS, may influence HD pathogenesis through other mechanisms. These findings have profound implications for the pathogenesis of HD and other repeat diseases and question the fundamental premise that polyglutamine length determines the rate of pathogenesis in the "polyglutamine disorders."

Abstract

Background

 Huntington's disease (HD) is an inherited neurodegenerative disorder caused by an expanded CAG repeat in the HTT gene. It is diagnosed following a standardized examination of motor control and often presents with cognitive decline and psychiatric symptoms. Recent studies have detected genetic loci modifying the age at onset of motor symptoms in HD, but genetic factors influencing cognitive and psychiatric presentations are unknown. 

Methods

 We tested the hypothesis that psychiatric and cognitive symptoms in HD are influenced by the same common genetic variation as in the general population by 1) constructing polygenic risk scores from large genome-wide association studies of psychiatric and neurodegenerative disorders and of intelligence and 2) testing for correlation with the presence of psychiatric and cognitive symptoms in a large sample (n = 5160) of patients with HD. 

Results

 Polygenic risk score for major depression was associated specifically with increased risk of depression in HD, as was schizophrenia risk score with psychosis and irritability. Cognitive impairment and apathy were associated with reduced polygenic risk score for intelligence. 

Conclusions

 Polygenic risk scores for psychiatric disorders, particularly depression and schizophrenia, are associated with increased risk of the corresponding psychiatric symptoms in HD, suggesting a common genetic liability. However, the genetic liability to cognitive impairment and apathy appears to be distinct from other psychiatric symptoms in HD. No associations were observed between HD symptoms and risk scores for other neurodegenerative disorders. These data provide a rationale for treatments effective in depression and schizophrenia to be used to treat depression and psychotic symptoms in HD.

Huntington's disease pathogenesis involves a genetic gain-of-function toxicity mechanism triggered by the expanded HTT CAG repeat. Current therapeutic efforts aim to suppress expression of total or mutant huntingtin, though the relationship of huntingtin's normal activities to the gain-of-function mechanism and what the effects of huntingtin-lowering might be are unclear. Here, we have re-investigated a rare family segregating two presumed HTT loss-of-function (LoF) variants associated with the developmental disorder, Lopes-Maciel-Rodan syndrome (LOMARS), using whole-genome sequencing of DNA from cell lines, in conjunction with analysis of mRNA and protein expression. Our findings correct the muddled annotation of these HTT variants, reaffirm they are the genetic cause of the LOMARS phenotype and demonstrate that each variant is a huntingtin hypomorphic mutation. The NM_002111.8: c.4469+1G>A splice donor variant results in aberrant (exon 34) splicing and severely reduced mRNA, whereas, surprisingly, the NM_002111.8: c.8157T>A NP_002102.4: Phe2719Leu missense variant results in abnormally rapid turnover of the Leu2719 huntingtin protein. Thus, although rare and subject to an as yet unknown LoF intolerance at the population level, bona fide HTT LoF variants can be transmitted by normal individuals leading to severe consequences in compound heterozygotes due to huntingtin deficiency.

SUMMARY The effects of variable, glutamine-encoding, CAA interruptions indicate that a property of the uninterrupted HTT CAG repeat sequence, distinct from huntingtin’s polyglutamine segment, dictates the rate at which HD develops. The timing of onset shows no significant association with HTT cis -eQTLs but is influenced, sometimes in a sex-specific manner, by polymorphic variation at multiple DNA maintenance genes, suggesting that the special onset-determining property of the uninterrupted CAG repeat is a propensity for length instability that leads to its somatic expansion. Additional naturally-occurring genetic modifier loci, defined by GWAS, may influence HD pathogenesis through other mechanisms. These findings have profound implications for the pathogenesis of HD and other repeat diseases and question a fundamental premise of the “polyglutamine disorders”.

Summary Cell type-specific transcriptional differences between brain tissues from donors with Alzheimer’s disease (AD) and unaffected controls have been well-documented, but few studies have rigorously interrogated the regulatory mechanisms responsible for these alterations. We performed single nucleus multiomics (snRNA-seq+snATAC-seq) on 105,332 nuclei isolated from cortical tissues from 7 AD and 8 unaffected donors to identify candidate cis -regulatory elements (CREs) involved in AD-associated transcriptional changes. We detected 319,861 significant correlations, or links, between gene expression and cell type-specific transposase accessible regions enriched for active CREs. Among these, 40,831 were unique to AD tissues. Validation experiments confirmed the activity of many regions, including several candidate regulators of APP expression. We identified ZEB1 and MAFB as candidate transcription factors playing important roles in AD-specific gene regulation in neurons and microglia, respectively. Microglial links were globally enriched for heritability of AD risk and previously identified active regulatory regions.

Abstract Huntington’s disease (HD) is an inherited neurodegenerative disorder caused by an expanded CAG repeat in the HTT gene. It is diagnosed following a standardized exam of motor control and often presents with cognitive decline and psychiatric symptoms. Recent studies have detected genetic loci modifying the age at onset of motor symptoms in HD, but genetic factors influencing cognitive and psychiatric presentations are unknown. We tested the hypothesis that psychiatric and cognitive symptoms in HD are influenced by the same common genetic variation as in the general population by constructing polygenic risk scores from large genome-wide association studies of psychiatric and neurodegenerative disorders, and of intelligence, and testing for correlation with the presence of psychiatric and cognitive symptoms in a large sample (n=5160) of HD patients. Polygenic risk score for major depression was associated specifically with increased risk of depression in HD, as was schizophrenia risk score with psychosis and irritability. Cognitive impairment and apathy were associated with reduced polygenic risk score for intelligence. In general, polygenic risk scores for psychiatric disorders, particularly depression and schizophrenia, are associated with increased risk of the corresponding psychiatric symptoms in HD, suggesting a common genetic liability. However, the genetic liability to cognitive impairment and apathy appears to be distinct from other psychiatric symptoms in HD. No associations were observed between HD symptoms and risk scores for other neurodegenerative disorders. These data provide a rationale for treatments effective in depression and schizophrenia to be used to treat depression and psychotic symptoms in HD.

An expanded CAG repeat in the huntingtin gene ( HTT ) causes Huntington's disease (HD). Since the length of uninterrupted CAG repeat, not polyglutamine, determines the age-at-onset in HD, base editing strategies to convert CAG to CAA are anticipated to delay onset by shortening the uninterrupted CAG repeat. Here, we developed base editing strategies to convert CAG in the repeat to CAA and determined their molecular outcomes and effects on relevant disease phenotypes. Base editing strategies employing combinations of cytosine base editors and gRNAs efficiently converted CAG to CAA at various sites in the CAG repeat without generating significant indels, off-target edits, or transcriptome alterations, demonstrating their feasibility and specificity. Candidate BE strategies converted CAG to CAA on both expanded and non-expanded CAG repeats without altering HTT mRNA and protein levels. In addition, somatic CAG repeat expansion, which is the major disease driver in HD, was significantly decreased by a candidate BE strategy treatment in HD knock-in mice carrying canonical CAG repeats. Notably, CAG repeat expansion was abolished entirely in HD knock-in mice carrying CAA-interrupted repeats, supporting the therapeutic potential of CAG-to-CAA conversion base editing strategies in HD and potentially other repeat expansion disorders.

Transcription Factors (TFs) influence gene expression by facilitating or disrupting the formation of transcription initiation machinery at particular genomic loci. Because genomic localization of TFs is in part driven by TF recognition of DNA sequence, variation in TF binding sites can disrupt TF-DNA associations and affect gene regulation. To identify variants that impact TF binding in human brain tissues, we quantified allele bias for 93 TFs analyzed with ChIP-seq experiments of multiple structural brain regions from two donors. Using graph genomes constructed from phased genomic sequence data, we compared ChIP-seq signal between alleles at heterozygous variants within each tissue sample from each donor. Comparison of results from different brain regions within donors and the same regions between donors provided measures of allele bias reproducibility. We identified thousands of DNA variants that show reproducible bias in ChIP-seq for at least one TF. We found that alleles that are rarer in the general population were more likely than common alleles to exhibit large biases, and more frequently led to reduced TF binding. Combining ChIP-seq with RNA-seq, we identified TF-allele interaction biases with RNA bias in a phased allele linked to 6,709 eQTL variants identified in GTEx data, 3,309 of which were found in neural contexts. Our results provide insights into the effects of both common and rare variation on gene regulation in the brain. These findings can facilitate mechanistic understanding of cis-regulatory variation associated with biological traits, including disease.

ABSTRACT Huntington’s disease (HD) is a neurodegerative disorder caused by an inherited unstable HTT CAG repeat that expands further, thereby eliciting a disease process that may be initiated by polyglutamine-expanded huntingtin or a short polyglutamine-product. Phosphorylation of selected candidate residues is reported to mediate polyglutamine-fragment degradation and toxicity. Here to support the discovery of phospho-sites involved in the life-cycle of (full-length) huntingtin, we employed mass spectrometry-based phosphoproteomics to systematically identify sites in purified huntingtin and in the endogenous protein, by proteomic and phospho-proteomic analyses of members of an HD neuronal progenitor cell panel. Our results bring total huntingtin phospho-sites to 95, with more located in the N-HEAT domain relative to numbers in the Bridge and C-HEAT domains. Moreover, phosphorylation of C-HEAT Ser2550 by cAMP-dependent protein kinase (PKA), the top hit in kinase activity screens, was found to hasten huntingtin degradation, such that levels of the catalytic subunit (PRKACA) were inversely related to huntingtin levels. Taken together these findings highlight categories of phospho-sites that merit further study and provide a phospho-site kinase pair (pSer2550-PKA) with which to investigate the biological processes that regulate huntingtin degradation and thereby influence the steady state levels of huntingtin in HD cells.