Abstract The Great Hungarian Plain was a crossroads of cultural transformations that have shaped European prehistory. Here we analyse a 5,000-year transect of human genomes, sampled from petrous bones giving consistently excellent endogenous DNA yields, from 13 Hungarian Neolithic, Copper, Bronze and Iron Age burials including two to high (~22 × ) and seven to ~1 × coverage, to investigate the impact of these on Europe’s genetic landscape. These data suggest genomic shifts with the advent of the Neolithic, Bronze and Iron Ages, with interleaved periods of genome stability. The earliest Neolithic context genome shows a European hunter-gatherer genetic signature and a restricted ancestral population size, suggesting direct contact between cultures after the arrival of the first farmers into Europe. The latest, Iron Age, sample reveals an eastern genomic influence concordant with introduced Steppe burial rites. We observe transition towards lighter pigmentation and surprisingly, no Neolithic presence of lactase persistence.

Ammar Al-Chalabi, Jan Veldink and colleagues perform a genome-wide association study for amyotrophic lateral sclerosis (ALS) in 15,156 cases and 26,242 controls. They identify three new genome-wide-significant variants and establish ALS as a complex trait with a polygenic architecture, but with a distinct and important role for low-frequency variants. To elucidate the genetic architecture of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and find associated loci, we assembled a custom imputation reference panel from whole-genome-sequenced patients with ALS and matched controls (n = 1,861). Through imputation and mixed-model association analysis in 12,577 cases and 23,475 controls, combined with 2,579 cases and 2,767 controls in an independent replication cohort, we fine-mapped a new risk locus on chromosome 21 and identified C21orf2 as a gene associated with ALS risk. In addition, we identified MOBP and SCFD1 as new associated risk loci. We established evidence of ALS being a complex genetic trait with a polygenic architecture. Furthermore, we estimated the SNP-based heritability at 8.5%, with a distinct and important role for low-frequency variants (frequency 1–10%). This study motivates the interrogation of larger samples with full genome coverage to identify rare causal variants that underpin ALS risk.

Summary

Background

 Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurodegenerative disease of upper and lower motor neurons, associated with frontotemporal dementia (FTD) in about 14% of incident cases. We assessed the frequency of the recently identified C9orf72 repeat expansion in familial and apparently sporadic cases of ALS and characterised the cognitive and clinical phenotype of patients with this expansion. 

Methods

 A population-based register of patients with ALS has been in operation in Ireland since 1995, and an associated DNA bank has been in place since 1999. 435 representative DNA samples from the bank were screened using repeat-primed PCR for the presence of a GGGGCC repeat expansion in C9orf72. We assessed clinical, cognitive, behavioural, MRI, and survival data from 191 (44%) of these patients, who comprised a population-based incident group and had previously participated in a longitudinal study of cognitive and behavioural changes in ALS. 

Findings

 Samples from the DNA bank included 49 cases of known familial ALS and 386 apparently sporadic cases. Of these samples, 20 (41%) cases of familial ALS and 19 (5%) cases of apparently sporadic ALS had the C9orf72 repeat expansion. Of the 191 patients for whom phenotype data were available, 21 (11%) had the repeat expansion. Age at disease onset was lower in patients with the repeat expansion (mean 56·3 [SD 8·3] years) than in those without (61·3 [10·6] years; p=0·043). A family history of ALS or FTD was present in 18 (86%) of those with the repeat expansion. Patients with the repeat expansion had significantly more co-morbid FTD than patients without the repeat (50% vs 12%), and a distinct pattern of non-motor cortex changes on high-resolution 3 T magnetic resonance structural neuroimaging. Age-matched univariate analysis showed shorter survival (20 months vs 26 months) in patients with the repeat expansion. Multivariable analysis showed an increased hazard rate of 1·9 (95% 1·1–3·7; p=0·035) in those patients with the repeat expansion compared with patients without the expansion 

Interpretation

 Patients with ALS and the C9orf72 repeat expansion seem to present a recognisable phenotype characterised by earlier disease onset, the presence of cognitive and behavioural impairment, specific neuroimaging changes, a family history of neurodegeneration with autosomal dominant inheritance, and reduced survival. Recognition of patients with ALS who carry an expanded repeat is likely to be important in the context of appropriate disease management, stratification in clinical trials, and in recognition of other related phenotypes in family members. 

Funding

 Health Seventh Framework Programme, Health Research Board, Research Motor Neuron, Irish Motor Neuron Disease Association, The Motor Neurone Disease Association of Great Britain and Northern Ireland, ALS Association.

Abstract We extend the scope of European palaeogenomics by sequencing the genomes of Late Upper Palaeolithic (13,300 years old, 1.4-fold coverage) and Mesolithic (9,700 years old, 15.4-fold) males from western Georgia in the Caucasus and a Late Upper Palaeolithic (13,700 years old, 9.5-fold) male from Switzerland. While we detect Late Palaeolithic–Mesolithic genomic continuity in both regions, we find that Caucasus hunter-gatherers (CHG) belong to a distinct ancient clade that split from western hunter-gatherers ∼45 kya, shortly after the expansion of anatomically modern humans into Europe and from the ancestors of Neolithic farmers ∼25 kya, around the Last Glacial Maximum. CHG genomes significantly contributed to the Yamnaya steppe herders who migrated into Europe ∼3,000 BC, supporting a formative Caucasus influence on this important Early Bronze age culture. CHG left their imprint on modern populations from the Caucasus and also central and south Asia possibly marking the arrival of Indo-Aryan languages.

Exome sequencing is an effective strategy for identifying human disease genes. However, this methodology is difficult in late-onset diseases where limited availability of DNA from informative family members prohibits comprehensive segregation analysis. To overcome this limitation, we performed an exome-wide rare variant burden analysis of 363 index cases with familial ALS (FALS). The results revealed an excess of patient variants within TUBA4A, the gene encoding the Tubulin, Alpha 4A protein. Analysis of a further 272 FALS cases and 5,510 internal controls confirmed the overrepresentation as statistically significant and replicable. Functional analyses revealed that TUBA4A mutants destabilize the microtubule network, diminishing its repolymerization capability. These results further emphasize the role of cytoskeletal defects in ALS and demonstrate the power of gene-based rare variant analyses in situations where causal genes cannot be identified through traditional segregation analysis.

Identifying large expansions of short tandem repeats (STRs), such as those that cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and fragile X syndrome, is challenging for short-read whole-genome sequencing (WGS) data. A solution to this problem is an important step toward integrating WGS into precision medicine. We developed a software tool called ExpansionHunter that, using PCR-free WGS short-read data, can genotype repeats at the locus of interest, even if the expanded repeat is larger than the read length. We applied our algorithm to WGS data from 3001 ALS patients who have been tested for the presence of the C9orf72 repeat expansion with repeat-primed PCR (RP-PCR). Compared against this truth data, ExpansionHunter correctly classified all (212/212, 95% CI [0.98, 1.00]) of the expanded samples as either expansions (208) or potential expansions (4). Additionally, 99.9% (2786/2789, 95% CI [0.997, 1.00]) of the wild-type samples were correctly classified as wild type by this method with the remaining three samples identified as possible expansions. We further applied our algorithm to a set of 152 samples in which every sample had one of eight different pathogenic repeat expansions, including those associated with fragile X syndrome, Friedreich's ataxia, and Huntington's disease, and correctly flagged all but one of the known repeat expansions. Thus, ExpansionHunter can be used to accurately detect known pathogenic repeat expansions and provides researchers with a tool that can be used to identify new pathogenic repeat expansions.

Jan Veldink and colleagues show that loss-of-function variants in NEK1 are associated with susceptibility to amyotrophic lateral sclerosis (ALS). In addition to finding an excess of rare loss-of-function NEK1 variants in ALS cases, they report a significant association between a specific NEK1 missense variant (p.Arg261His) and disease risk. To identify genetic factors contributing to amyotrophic lateral sclerosis (ALS), we conducted whole-exome analyses of 1,022 index familial ALS (FALS) cases and 7,315 controls. In a new screening strategy, we performed gene-burden analyses trained with established ALS genes and identified a significant association between loss-of-function (LOF) NEK1 variants and FALS risk. Independently, autozygosity mapping for an isolated community in the Netherlands identified a NEK1 p.Arg261His variant as a candidate risk factor. Replication analyses of sporadic ALS (SALS) cases and independent control cohorts confirmed significant disease association for both p.Arg261His (10,589 samples analyzed) and NEK1 LOF variants (3,362 samples analyzed). In total, we observed NEK1 risk variants in nearly 3% of ALS cases. NEK1 has been linked to several cellular functions, including cilia formation, DNA-damage response, microtubule stability, neuronal morphology and axonal polarity. Our results provide new and important insights into ALS etiopathogenesis and genetic etiology.

Abstract We analyse new genomic data (0.05-2.95x) from 14 ancient individuals from Portugal distributed from the Middle Neolithic (4200-3500 BC) to the Middle Bronze Age (1740-1430 BC) and impute genomewide diploid genotypes in these together with published ancient Eurasians. While discontinuity is evident in the transition to agriculture across the region, sensitive haplotype-based analyses suggest a significant degree of local hunter-gatherer contribution to later Iberian Neolithic populations. A more subtle genetic influx is also apparent in the Bronze Age, detectable from analyses including haplotype sharing with both ancient and modern genomes, D-statistics and Y-chromosome lineages. However, the limited nature of this introgression contrasts with the major Steppe migration turnovers within third Millennium northern Europe and echoes the survival of non-Indo-European language in Iberia. Changes in genomic estimates of individual height across Europe are also associated with these major cultural transitions, and ancestral components continue to correlate with modern differences in stature. Author Summary Recent ancient DNA work has demonstrated the significant genetic impact of mass migrations from the Steppe into Central and Northern Europe during the transition from the Neolithic to the Bronze Age. In Iberia, archaeological change at the level of material culture and funerary rituals has been reported during this period, however, the genetic impact associated with this cultural transformation has not yet been estimated. In order to investigate this, we sequence Neolithic and Bronze Age samples from Portugal, which we compare to other ancient and present-day individuals. Genome-wide imputation of a large dataset of ancient samples enabled sensitive methods for detecting population structure and selection in ancient samples. We revealed subtle genetic differentiation between the Portuguese Neolithic and Bronze Age samples suggesting a markedly reduced influx in Iberia compared to other European regions. Furthermore, we predict individual height in ancients, suggesting that stature was reduced in the Neolithic and affected by subsequent admixtures. Lastly, we examine signatures of strong selection in important traits and the timing of their origins.

ABSTRACT Mutations in the superoxide dismutase 1 ( SOD1 ) gene are the second most common known cause of ALS. SOD1 variants express high phenotypic variability and over 200 have been reported in people with ALS. Investigating how different SOD1 variants affect the protein dynamics might help in understanding their pathogenic mechanism and explaining their heterogeneous clinical presentation. It was previously proposed that variants can be broadly classified in two groups, ‘wild-type like’ (WTL) and ‘metal binding region’ (MBR) variants, based on their structural location and biophysical properties. MBR variants are associated with a loss of SOD1 enzymatic activity. In this study we used molecular dynamics and large clinical datasets to characterise the differences in the structural and dynamic behaviour of WTL and MBR variants with respect to the wild-type SOD1, and how such differences influence the ALS clinical phenotype. Our study identified marked structural differences, some of which are observed in both variant groups, while others are group specific. Moreover, applying graph theory to a network representation of the proteins, we identified differences in the intramolecular contacts of the two classes of variants. Finally, collecting clinical data of approximately 500 SOD1 ALS patients carrying variants from both classes, we showed that the survival time of patients carrying an MBR variant is generally longer (~6 years median difference, p < 0.001) with respect to patients with a WTL variant. In conclusion, our study highlights key differences in the dynamic behaviour of the WTL and MBR SOD1 variants, and wild-type SOD1 at an atomic and molecular level. We identified interesting structural features that could be further investigated to explain the associated phenotypic variability. Our results support the hypothesis of a decoupling between mechanisms of onset and progression of SOD1 ALS, and an involvement of loss-of-function of SOD1 with the disease progression.