Objective White matter hyperintensities (WMHs) are areas of increased signal on T2‐weighted magnetic resonance imaging (MRI) scans that most commonly reflect small vessel cerebrovascular disease. Increased WMH volume is associated with risk and progression of Alzheimer's disease (AD). These observations are typically interpreted as evidence that vascular abnormalities play an additive, independent role contributing to symptom presentation, but not core features of AD. We examined the severity and distribution of WMH in presymptomatic PSEN1 , PSEN2 , and APP mutation carriers to determine the extent to which WMH manifest in individuals genetically determined to develop AD. Methods The study comprised participants (n = 299; age = 39.03 ± 10.13) from the Dominantly Inherited Alzheimer Network, including 184 (61.5%) with a mutation that results in AD and 115 (38.5%) first‐degree relatives who were noncarrier controls. We calculated the estimated years from expected symptom onset (EYO) by subtracting the affected parent's symptom onset age from the participant's age. Baseline MRI data were analyzed for total and regional WMH. Mixed‐effects piece‐wise linear regression was used to examine WMH differences between carriers and noncarriers with respect to EYO. Results Mutation carriers had greater total WMH volumes, which appeared to increase approximately 6 years before expected symptom onset. Effects were most prominent for the parietal and occipital lobe, which showed divergent effects as early as 22 years before estimated onset. Interpretation Autosomal‐dominant AD is associated with increased WMH well before expected symptom onset. The findings suggest the possibility that WMHs are a core feature of AD, a potential therapeutic target, and a factor that should be integrated into pathogenic models of the disease. Ann Neurol 2016;79:929–939

Abstract Objective The genetic bases of Alzheimer’s disease remain uncertain. An international effort to fully articulate genetic risks and protective factors is underway with the hope of identifying potential therapeutic targets and preventive strategies. The goal here was to identify and characterize the frequency and impact of rare and ultra-rare variants in Alzheimer’s disease using whole exome sequencing in 20,197 individuals. Methods We used a gene-based collapsing analysis of loss-of-function ultra-rare variants in a case-control study design with data from the Washington Heights-Inwood Columbia Aging Project, the Alzheimer’s Disease Sequencing Project and unrelated individuals from the Institute of Genomic Medicine at Columbia University. Results We identified 19 cases carrying extremely rare SORL1 loss-of-function variants among a collection of 6,965 cases and a single loss-of-function variant among 13,252 controls (p = 2.17 × 10 -8 ; OR 36.2 [95%CI 5.8 – 1493.0]). Age-at-onset was seven years earlier for patients with SORL1 qualifying variant compared with non-carriers. No other gene attained a study-wide level of statistical significance, but multiple top-ranked genes, including GRID2IP, WDR76 and GRN , were among candidates for follow-up studies. Interpretation This study implicates ultra-rare, loss-of-function variants in SORL1 as a significant genetic risk factor for Alzheimer’s disease and provides a comprehensive dataset comparing the burden of rare variation in nearly all human genes in Alzheimer’s disease cases and controls. This is the first investigation to establish a genome-wide statistically significant association between multiple extremely rare loss-of-function variants in SORL1 and Alzheimer’s disease in a large whole-exome study of unrelated cases and controls.

Abstract Ethnicity impacts Alzheimer’s disease risk, especially among Caribbean-Hispanics. We report the first RNA-sequencing analysis of brain tissue from 45 Alzheimer’s disease and control Caribbean-Hispanics. Data were compared with two independent samples of non-Hispanic Caucasians (total n=729). By identifying and characterizing those genes with ancestry- and region-specific expression patterns in Alzheimer’s disease, we reveal molecular insights that may help explain epidemiological disparities in this understudied aging population.

Abstract Neurogenesis relates to the brain resilience and is reduced in Alzheimer’s disease (AD). Restoring healthy levels of neurogenesis could have beneficial effects for coping with neurodegeneration. However, molecular mechanisms that could enhance neurogenesis from astroglial progenitors in AD pathology are largely unknown. We used lentiviruses to express Ngfr in the hippocampus of the APP/PS1dE9 mouse model of AD, histologically analyzed the changes in proliferation of neural stem cells and neurogenesis; performed single-cell transcriptomics, spatial proteomics, and functional knockdown studies. We found that expression of Ngfr , a neurogenic determinant in pathology-induced neuroregeneration in zebrafish, stimulated proliferative and neurogenic outcome in the APP/PS1dE9 AD mouse model. Ngfr suppressed reactive astrocyte marker Lipocalin-2 (Lcn2) in astroglia. Blockage of Lcn2 receptor, Slc22a17, recapitulated the neurogenic effects of NGFR, and long-term Ngfr expression reduced amyloid plaques and Tau phosphorylation. Furthermore, immunostaining on postmortem human hippocampi with AD or primary age-related Tauopathy and 3D human astroglial cultures showed that elevated LCN2 levels correlate with gliosis. By comparing transcriptional changes in mouse hippocampus, zebrafish brain, and human AD brains in terms of cell intrinsic differential gene expression analyses as well as weighted gene co-expression network analysis, we observed common potential downstream effectors of NGFR signaling, C4B and PFKP , that are relevant to AD. Our study links the regulatory role of an autocrine molecular mechanism in astroglia to the neurogenic ability and modulatory effects on amyloid and tau phosphorylation, opening new research avenues and suggesting that neurogenesis-oriented therapeutic approaches could be a potential clinical intervention for AD.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) remains a complex challenge characterized by cognitive decline and memory loss. Genetic variations have emerged as crucial players in the etiology of AD, enabling hope for a better understanding of the disease mechanisms; yet the specific mechanism of action for those genetic variants remain uncertain. Animal models with reminiscent disease pathology could uncover previously uncharacterized roles of these genes. Using CRISPR/Cas9 gene editing, we generated a knockout model for abca7, orthologous to human ABCA7 – an established AD-risk gene. The abca7 +/- zebrafish showed reduced astroglial proliferation, synaptic density, and microglial abundance in response to amyloid beta 42 (Aβ42). Single-cell transcriptomics revealed abca7 -dependent neuronal and glial cellular crosstalk through neuropeptide Y (NPY) signaling. The abca7 knockout reduced the expression of npy, bdnf and ngfra , which are required for synaptic integrity and astroglial proliferation. With clinical data in humans, we showed reduced NPY in AD correlates with elevated Braak stage, predicted regulatory interaction between NPY and BDNF , identified genetic variants in NPY associated with AD, found segregation of variants in ABCA7, BDNF and NGFR in AD families, and discovered epigenetic changes in the promoter regions of NPY, NGFR and BDNF in humans with specific single nucleotide polymorphisms in ABCA7 . These results suggest that ABCA7-dependent NPY signaling is required for synaptic integrity, the impairment of which generates a risk factor for AD through compromised brain resilience. Abstract Figure Graphical abstract

Genetic variants and epigenetic features both contribute to the risk of Alzheimer's disease (AD). We studied the AD association of CpG-related single nucleotide polymorphisms (CGS), which act as a hub of both the genetic and epigenetic effects, in Caribbean Hispanics (CH) and generalized the findings to Non-Hispanic Whites (NHW). First, we conducted a genome-wide, sliding-window-based association with AD, in 7,155 CH and 1,283 NHW participants. Next, using data from the dorsolateral prefrontal cortex in 179 CH brains, we tested the cis- and trans-effects of AD-associated CGS on brain DNA methylation to mRNA expression. For the genes with significant cis- and trans-effects, we investigated their enriched pathways. We identified six genetic loci in CH with CGS dosage associated with AD at genome-wide significance levels: ADAM20 (Score = 55.19, P = 4.06 × 10–8), the intergenic region between VRTN and SYNDIG1L (Score = − 37.67, P = 2.25 × 10–9), SPG7 (16q24.3) (Score = 40.51, P = 2.23 × 10–8), PVRL2 (Score = 125.86, P = 1.64 × 10–9), TOMM40 (Score = − 18.58, P = 4.61 × 10–8), and APOE (Score = 75.12, P = 7.26 × 10–26). CGSes in PVRL2 and APOE were also significant in NHW. Except for ADAM20, CGSes in the other five loci were associated with CH brain methylation levels (mQTLs) and CGSes in SPG7, PVRL2, and APOE were also mQTLs in NHW. Except for SYNDIG1L (P = 0.08), brain methylation levels in the other five loci affected downstream mRNA expression in CH (P < 0.05), and methylation at VRTN and TOMM40 were also associated with mRNA expression in NHW. Gene expression in these six loci were also regulated by CpG sites in genes that were enriched in the neuron projection and glutamatergic synapse pathways (FDR < 0.05). DNA methylation at all six loci and mRNA expression of SYNDIG1 and TOMM40 were significantly associated with Braak Stage in CH. In summary, we identified six CpG-related genetic loci associated with AD in CH, harboring both genetic and epigenetic risks. However, their downstream effects on mRNA expression maybe ethnic specific and different from NHW.

Abstract Alzheimer’s Disease (AD) exhibits a complex molecular and phenotypic profile. Investigating gene expression plays a crucial role in unraveling the disease’s etiology and progression. Transcriptome data across ethnic groups lack, negatively impacting equity in intervention and research. We employed 565 brains across six U.S. brain banks ( n= 399 non-Hispanic Whites, n =113 Hispanics, n= 12 African Americans) to generated bulk RNA sequencing from prefrontal cortex. We sought to identify cross-ancestry and ancestry-specific differentially expressed genes (DEG) across Braak stages, adjusting for sex, age at death, and RNA quality metrics. We further validated our findings using the Religious Orders Study/Memory Aging Project brains (ROS/MAP; n= 1,095) and performed metanalysis ( n= 1,660). We conducted Gene Set and Variation and Enrichment analysis (GSVA; GSEA). We employed a machine-learning approach for phenotype prediction and gene prioritization to construct a polytranscriptomics risk score (PTRS) splitting our sample into training and testing sub-samples, either randomly or by ethnicity (“ancestry-agnostic” and “ancestry-aware”, respectively). Lastly, we validated top DEG using single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq) data. We identified several DEG associated with Braak staging: AD-known genes VGF ( P adj =3.78E- 07) and ADAMTS2 ( P ad j =1.21E-04) were consistently differentially expressed across statistical models, ethnicities, and replicated in ROS/MAP. Genes from the heat shock protein ( HSP ) family, e.g. HSPB7 ( P adj =3.78E-07), were the top differentially expressed genes and replicated in ROS/MAP. Ethnic-stratified analyses prioritized TNFSF14 and SPOCD1 as top Hispanics DEG. GSEA highlighted “ Alzheimer disease ” ( P adj =4.24E-06) and “ TYROBP causal network in microglia ” ( P adj =1.68E-08) pathways. Up- and down-regulated genes were enriched in several pathways (e.g. “ Immune response activation signal pathways” , “ Vesicle-mediated transport in synapse ”, “ cognition ”). Ancestry-agnostic and ancestry-aware PTRS effectively classified brains (AUC=0.77 and 0.73 respectively) and replicated in ROS/MAP. snRNAseq validated prioritized genes, including VGF ( downregulated in neurons; P adj =1.1 E-07). This is the largest diverse AD transcriptome in post-mortem brain tissue, to our knowledge. We identified perturbated genes, pathways and network expressions in AD brains resulting in cross- ethnic and ethnic-specific findings, ultimately highlighting the diversity within AD pathogenesis. The latter underscores the need for an integrative and personalized approach in AD studies.

ABSTRACT Fetal Alcohol Spectrum Disorders (FASD) represent a significant global health challenge, characterized by physical and neurodevelopmental abnormalities in offspring resulting from prenatal alcohol exposure. This study aims to utilize the zebrafish to examine the phenotypic, behavioral, and molecular changes associated with embryonic ethanol exposure, providing a model for human FASD conditions. Our study exposed zebrafish embryos to 0.5% ethanol during a critical developmental window (2-24 hours post-fertilization) and documented significant craniofacial and cardiac deformities, which recapitulate what has been observed in human FASD in humans. Notably, exposed zebrafish exhibited reduced skull and eye sizes, thickened jaw size, and enlarged heart chambers. We found reduced burst swim distance following a touch stimulus, a novel behavioral assessment of potential deficits in sensory processing such as processing speed and/or stress/startle response, both of which are affected in human FASD. Whole-organism gene expression was found to be altered by ethanol for orthologs of four of five inflammation-related genes for which placental expression was previously found to be altered in response to alcohol in human placentas ( SERPINE1, CRHB, BCL2L1, PSMB4, PTGS2A ). We conclude that the zebrafish model effectively mimics several FASD phenotypes observed in humans, confirming gene expression changes we have previously documented in a human observational study and providing a valuable platform for exploring the underlying mechanisms of alcohol-induced embryonic alterations and for developing diagnostic markers and therapeutic targets for early intervention.

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 Objective The performances of popular Genome-wide association study (GWAS) models haven’t been examined yet in a consistent manner under the scenario of genetic admixture, which introduces several challenging aspects such as heterogeneity of minor allele frequency (MAF), a wide spectrum of case-control ratio, and varying effect sizes etc. Methods We generated a cohort of synthetic individuals (N=19,234) that simulates 1) a large sample size; 2) two-way admixture [Native American-European ancestry] and 3) a binary phenotype. We then examined the inflation factors produced by three popular GWAS tools: GMMAT, SAIGE, and Tractor. We also computed power calculations under different MAFs, case-control ratios, and varying ancestry percentages. Then, we employed a cohort of Peruvians (N=249) to further examine the performances of the testing models on 1) real genetic data and 2) small sample sizes. Finally, we validated these findings using an independent Peruvian cohort (N=109) included in 1000 Genome project (1000G). Result In the synthetic cohort, SAIGE performed better than GMMAT and Tractor in terms of type-I error rate, especially under severe unbalanced case-control ratio. On the contrary, power analysis identified Tractor as the best method to pinpoint ancestry-specific causal variants, but showed decreased power when no adequate heterogeneity of the true effect sizes was simulated between ancestries. The real Peruvian data showed that Tractor is severely affected by small sample sizes, and produced severely inflated statistics, which we replicated in the 1000G Peruvian cohort. Discussion The current study illustrates the limitations of available GWAS tools under different scenarios of genetic admixture. We urge caution when interpreting results under complex population scenarios.