There is a need for new therapeutic targets with which to prevent Alzheimer’s disease (AD), a major contributor to aging-related cognitive decline. Here we report the construction and validation of a molecular network of the aging human frontal cortex. Using RNA sequence data from 478 individuals, we first build a molecular network using modules of coexpressed genes and then relate these modules to AD and its neuropathologic and cognitive endophenotypes. We confirm these associations in two independent AD datasets. We also illustrate the use of the network in prioritizing amyloid- and cognition-associated genes for in vitro validation in human neurons and astrocytes. These analyses based on unique cohorts enable us to resolve the role of distinct cortical modules that have a direct effect on the accumulation of AD pathology from those that have a direct effect on cognitive decline, exemplifying a network approach to complex diseases. The authors constructed and validated a molecular network of the aging human cortex from RNA sequencing data from 478 individuals and identified genes that affect cognitive decline or neuropathology in Alzheimer’s disease.

We report a multi-omic resource generated by applying quantitative trait locus (xQTL) analyses to RNA sequence, DNA methylation and histone acetylation data from the dorsolateral prefrontal cortex of 411 older adults who have all three data types. We identify SNPs significantly associated with gene expression, DNA methylation and histone modification levels. Many of these SNPs influence multiple molecular features, and we demonstrate that SNP effects on RNA expression are fully mediated by epigenetic features in 9% of these loci. Further, we illustrate the utility of our new resource, xQTL Serve, by using it to prioritize the cell type(s) most affected by an xQTL. We also reanalyze published genome wide association studies using an xQTL-weighted analysis approach and identify 18 new schizophrenia and 2 new bipolar susceptibility variants, which is more than double the number of loci that can be discovered with a larger blood-based expression eQTL resource.

Abstract We initiated the systematic profiling of the dorsolateral prefrontal cortex obtained from a subset of autopsied individuals enrolled in the Religious Orders Study (ROS) or the Rush Memory and Aging Project (MAP), which are jointly designed prospective studies of aging and dementia with detailed, longitudinal cognitive phenotyping during life and a quantitative, structured neuropathologic examination after death. They include over 3,322 subjects. Here, we outline the first generation of data including genome-wide genotypes ( n =2,090), whole genome sequencing ( n =1,179), DNA methylation ( n =740), chromatin immunoprecipitation with sequencing using an anti-Histone 3 Lysine 9 acetylation (H3K9Ac) antibody ( n =712), RNA sequencing ( n =638), and miRNA profile ( n =702). Generation of other omic data including ATACseq, proteomic and metabolomics profiles is ongoing. Thanks to its prospective design and recruitment of older, non-demented individuals, these data can be repurposed to investigate a large number of syndromic and quantitative neuroscience phenotypes. The many subjects that are cognitively non-impaired at death also offer insights into the biology of the human brain in older non-impaired individuals.

With a rapidly aging global human population, finding a cure for late onset neurodegenerative diseases has become an urgent enterprise. However, these efforts are hindered by the lack of understanding of what constitutes the phenotype of aged human microglia-the cell type that has been strongly implicated by genetic studies in the pathogenesis of age-related neurodegenerative disease. Here, we establish the set of genes that is preferentially expressed by microglia in the aged human brain. This HuMi_Aged gene set captures a unique phenotype, which we confirm at the protein level. Furthermore, we find this gene set to be enriched in susceptibility genes for Alzheimer's disease and multiple sclerosis, to be increased with advancing age, and to be reduced by the protective APOEε2 haplotype. APOEε4 has no effect. These findings confirm the existence of an aging-related microglial phenotype in the aged human brain and its involvement in the pathological processes associated with brain aging.

Recent large-scale genome-wide association studies have discovered several genetic variants associated with Alzheimer disease (AD); however, the extent to which DNA methylation in these AD loci contributes to the disease susceptibility remains unknown.To examine the association of brain DNA methylation in 28 reported AD loci with AD pathologies.Ongoing community-based clinical pathological cohort studies of aging and dementia (the Religious Orders Study and the Rush Memory and Aging Project) among 740 autopsied participants 66.0 to 108.3 years old.DNA methylation levels at individual CpG sites generated from dorsolateral prefrontal cortex tissue using a bead assay.Pathological diagnosis of AD by National Institute on Aging-Reagan criteria following a standard postmortem examination.Overall, 447 participants (60.4%) met the criteria for pathological diagnosis of AD. Brain DNA methylation in SORL1, ABCA7, HLA-DRB5, SLC24A4, and BIN1 was associated with pathological AD. The association was robustly retained after replacing the binary trait of pathological AD with 2 quantitative and molecular specific hallmarks of AD, namely, Aβ load and paired helical filament tau tangle density. Furthermore, RNA expression of transcripts of SORL1 and ABCA7 was associated with paired helical filament tau tangle density, and the expression of BIN1 was associated with Aβ load.Brain DNA methylation in multiple AD loci is associated with AD pathologies. The results provide further evidence that disruption of DNA methylation is involved in the pathological process of AD.

Autophagy is required for the homeostasis of cellular material and is proposed to be involved in many aspects of health. Defects in the autophagy pathway have been observed in neurodegenerative disorders; however, no genetically-inherited pathogenic mutations in any of the core autophagy-related (ATG) genes have been reported in human patients to date. We identified a homozygous missense mutation, changing a conserved amino acid, in ATG5 in two siblings with congenital ataxia, mental retardation, and developmental delay. The subjects' cells display a decrease in autophagy flux and defects in conjugation of ATG12 to ATG5. The homologous mutation in yeast demonstrates a 30-50% reduction of induced autophagy. Flies in which Atg5 is substituted with the mutant human ATG5 exhibit severe movement disorder, in contrast to flies expressing the wild-type human protein. Our results demonstrate the critical role of autophagy in preventing neurological diseases and maintaining neuronal health.

Abstract Emerging evidence shows that the meninges conduct essential immune surveillance and immune defense at the brain border, and the dysfunction of meningeal immunity contributes to aging and neurodegeneration. However, no study exists on the molecular properties of cell types within human leptomeninges. Here, we provide the first single nuclei profiling of dissected postmortem leptomeninges from aged individuals. We detect diverse cell types, including unique meningeal endothelial, mural, and fibroblast subtypes. For immune cells, we show that most T cells express CD8 and bear characteristics of tissue-resident memory T cells. We also identify distinct subtypes of border-associated macrophages (BAMs) that display differential gene expressions from microglia and express risk genes for Alzheimer’s Disease (AD), as nominated by genome-wide association studies (GWAS). We discover cell-type-specific differentially expressed genes in individuals with Alzheimer’s dementia, particularly in fibroblasts and BAMs. Indeed, when cultured, leptomeningeal cells display the signature of ex vivo AD fibroblasts upon amyloid-β treatment. We further explore ligand-receptor interactions within the leptomeningeal niche and computationally infer intercellular communications in AD. Thus, our study establishes a molecular map of human leptomeningeal cell types, providing significant insight into the border immune and fibrotic responses in AD.

We initiated the systematic profiling of the dorsolateral prefrontal cortex obtained from a subset of autopsied individuals enrolled in the Religious Orders Study (ROS) or the Rush Memory and Aging Project (MAP), which are jointly designed and belong to a very few prospective studies of aging and dementia with detailed, longitudinal cognitive phenotyping during life and a quantitative, structured neuropathologic examination after death for >3,322 subjects. Here, we outline the first generation of data including genome-wide genotypes (n=2,090), whole genome sequencing (n=1,179), DNA methylation (n=740), chromatin immunoprecipitation with sequencing using an anti-Histone 3 Lysine 9 acetylation (H3K9Ac) antibody (n=712), RNA sequencing (n=638), and miRNA profile (n=702). Generation of other omic data including ATACseq, proteomic and metabolomics profiles is ongoing. Thanks to its prospective design and recruitment of older, non-demented individuals, these data can be repurposed to investigate a large number of syndromic and quantitative neuroscience phenotypes. The many subjects that are cognitively non-impaired at death also offer insights into the biology of the human brain in older non-impaired individuals.