Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD) are extremes of a clinically, pathologically, and genetically overlapping disease spectrum. A locus on chromosome 9p21 has been associated with both disorders, and we aimed to identify the causal gene within this region.We studied 305 patients with FTLD, 137 with ALS, and 23 with concomitant FTLD and ALS (FTLD-ALS) and 856 controls from Flanders (Belgium); patients were identified from a hospital-based cohort and were negative for mutations in known FTLD and ALS genes. We also examined the family of one patient with FTLD-ALS previously linked to 9p21 (family DR14). We analysed 130 kbp at 9p21 in association and segregation studies, genomic sequencing, repeat genotyping, and expression studies to identify the causal mutation. We compared genotype-phenotype correlations between mutation carriers and non-carriers.In the patient-control cohort, the single-nucleotide polymorphism rs28140707 within the 130 kbp region of 9p21 was associated with disease (odds ratio [OR] 2·6, 95% CI 1·5-4·7; p=0·001). A GGGGCC repeat expansion in C9orf72 completely co-segregated with disease in family DR14. The association of rs28140707 with disease in the patient-control cohort was abolished when we excluded GGGGCC repeat expansion carriers. In patients with familial disease, six (86%) of seven with FTLD-ALS, seven (47%) of 15 with ALS, and 12 (16%) of 75 with FTLD had the repeat expansion. In patients without known familial disease, one (6%) of 16 with FTLD-ALS, six (5%) of 122 with ALS, and nine (4%) of 230 with FTLD had the repeat expansion. Mutation carriers primarily presented with classic ALS (10 of 11 individuals) or behavioural variant FTLD (14 of 15 individuals). Mean age at onset of FTLD was 55·3 years (SD 8·4) in 21 mutation carriers and 63·2 years (9·6) in 284 non-carriers (p=0·001); mean age at onset of ALS was 54·5 years (9·9) in 13 carriers and 60·4 years (11·4) in 124 non-carriers. Postmortem neuropathological analysis of the brains of three mutation carriers with FTLD showed a notably low TDP-43 load. In brain at postmortem, C9orf72 expression was reduced by nearly 50% in two carriers compared with nine controls (p=0·034). In familial patients, 14% of FTLD-ALS, 50% of ALS, and 62% of FTLD was not accounted for by known disease genes.We identified a pathogenic GGGGCC repeat expansion in C9orf72 on chromosome 9p21, as recently also reported in two other studies. The GGGGCC repeat expansion is highly penetrant, explaining all of the contribution of chromosome 9p21 to FTLD and ALS in the Flanders-Belgian cohort. Decreased expression of C9orf72 in brain suggests haploinsufficiency as an underlying disease mechanism. Unidentified genes probably also contribute to the FTLD-ALS disease spectrum.Full funding sources listed at end of paper (see Acknowledgments).

Genetic discoveries of Alzheimer's disease are the drivers of our understanding, and together with polygenetic risk stratification can contribute towards planning of feasible and efficient preventive and curative clinical trials. We first perform a large genetic association study by merging all available case-control datasets and by-proxy study results (discovery n = 409,435 and validation size n = 58,190). Here, we add six variants associated with Alzheimer's disease risk (near APP, CHRNE, PRKD3/NDUFAF7, PLCG2 and two exonic variants in the SHARPIN gene). Assessment of the polygenic risk score and stratifying by APOE reveal a 4 to 5.5 years difference in median age at onset of Alzheimer's disease patients in APOE ɛ4 carriers. Because of this study, the underlying mechanisms of APP can be studied to refine the amyloid cascade and the polygenic risk score provides a tool to select individuals at high risk of Alzheimer's disease.

Abstract Tandem repeats (TRs) can cause disease through their length, sequence motif interruptions, and nucleotide modifications. For many TRs, however, these features are very difficult - if not impossible - to assess, requiring low-throughput and labor-intensive assays. One example is a VNTR in ABCA7 for which we recently discovered that expanded alleles strongly increase risk of Alzheimer’s disease. Here, we investigated the potential of long-read whole genome sequencing to surmount these challenges, using the high-throughput PromethION platform from Oxford Nanopore Technologies. To overcome the limitations of conventional base calling and alignment, we developed an algorithm to study the TR size and sequence directly on raw PromethION current data. We report the long-read sequencing of multiple human genomes (n = 11) using only a single sequencing run and flow cell per individual. With the use of fresh DNA extractions, DNA shearing to approximately 20kb and size selection, we obtained an average output of 70 gigabases (Gb) per flow cell, corresponding to a 21x genome coverage, and a maximum yield of 98 Gb (30x genome coverage). All ABCA7 VNTR alleles, including expansions up to 10,000 bases, were spanned by long sequencing reads, validated by Southern blotting. Classical approaches of TR length estimation suffered from low accuracy, low precision, DNA strand effects and/or inability to call pathogenic repeat expansions. In contrast, our novel NanoSatellite algorithm, which circumvents base calling by using dynamic time warping on raw PromethION current data, achieved more than 90% accuracy and high precision (5.6% relative standard deviation) of TR length estimation, and detected all clinically relevant repeat expansions. In addition, we identified alternative TR sequence motifs with high consistency, allowing determination of TR sequence and distinction of VNTR alleles with homozygous length. In conclusion, we validated the robustness of single-experiment whole genome long-read sequencing on PromethION, a prerequisite for application of long-read sequencing in the clinic. In addition, we outperformed Southern blotting, enabling improved characterization of the role of expanded ABCA7 VNTR alleles in Alzheimer’s disease, and opening new opportunities for TR research.

Abstract We introduce scywalker , an innovative and scalable package developed to comprehensively analyze long-read nanopore sequencing data of full-length single-cell or single-nuclei cDNA. Existing nanopore single-cell data analysis tools showed severe limitations in handling current data sizes. We developed novel scalable methods for cell barcode demultiplexing and single-cell isoform calling and quantification and incorporated these in an easily deployable package. Scywalker streamlines the entire analysis process, from sequenced fragments in FASTQ format to demultiplexed pseudobulk isoform counts, into a single command suitable for execution on either server or cluster. Scywalker includes data quality control, cell type identification, and an interactive report. Assessment of datasets from the human brain, Arabidopsis leaves, and previously benchmarked data from mixed cell lines, demonstrate excellent correlation with short-read analyses at both the cell-barcoding and gene quantification levels. At the isoform level, we show that scywalker facilitates the direct identification of cell-type-specific expression of novel isoforms.