Jonathan Marchini, Gonçalo Abecasis, Richard Durbin and colleagues describe the construction of a reference panel of human haplotypes from whole-genome sequencing data. They are able to use this to accurately impute genotypes at low minor allele frequency and present remote server resources for use by the community. We describe a reference panel of 64,976 human haplotypes at 39,235,157 SNPs constructed using whole-genome sequence data from 20 studies of predominantly European ancestry. Using this resource leads to accurate genotype imputation at minor allele frequencies as low as 0.1% and a large increase in the number of SNPs tested in association studies, and it can help to discover and refine causal loci. We describe remote server resources that allow researchers to carry out imputation and phasing consistently and efficiently.

Several recent studies reported aging effects on DNA methylation levels of individual CpG dinucleotides. But it is not yet known whether aging-related consensus modules, in the form of clusters of correlated CpG markers, can be found that are present in multiple human tissues. Such a module could facilitate the understanding of aging effects on multiple tissues.We therefore employed weighted correlation network analysis of 2,442 Illumina DNA methylation arrays from brain and blood tissues, which enabled the identification of an age-related co-methylation module. Module preservation analysis confirmed that this module can also be found in diverse independent data sets. Biological evaluation showed that module membership is associated with Polycomb group target occupancy counts, CpG island status and autosomal chromosome location. Functional enrichment analysis revealed that the aging-related consensus module comprises genes that are involved in nervous system development, neuron differentiation and neurogenesis, and that it contains promoter CpGs of genes known to be down-regulated in early Alzheimer's disease. A comparison with a standard, non-module based meta-analysis revealed that selecting CpGs based on module membership leads to significantly increased gene ontology enrichment, thus demonstrating that studying aging effects via consensus network analysis enhances the biological insights gained.Overall, our analysis revealed a robustly defined age-related co-methylation module that is present in multiple human tissues, including blood and brain. We conclude that blood is a promising surrogate for brain tissue when studying the effects of age on DNA methylation profiles.

To identify novel genes associated with ALS, we undertook two lines of investigation. We carried out a genome-wide association study comparing 20,806 ALS cases and 59,804 controls. Independently, we performed a rare variant burden analysis comparing 1,138 index familial ALS cases and 19,494 controls. Through both approaches, we identified kinesin family member 5A (KIF5A) as a novel gene associated with ALS. Interestingly, mutations predominantly in the N-terminal motor domain of KIF5A are causative for two neurodegenerative diseases: hereditary spastic paraplegia (SPG10) and Charcot-Marie-Tooth type 2 (CMT2). In contrast, ALS-associated mutations are primarily located at the C-terminal cargo-binding tail domain and patients harboring loss-of-function mutations displayed an extended survival relative to typical ALS cases. Taken together, these results broaden the phenotype spectrum resulting from mutations in KIF5A and strengthen the role of cytoskeletal defects in the pathogenesis of ALS.

Mutations in the profilin 1 (PFN1) gene, which is crucial for the conversion of monomeric to filamentous actin, can cause familial amyotrophic lateral sclerosis, suggesting that alterations in cytoskeletal pathways contribute to disease pathogenesis. In nearly half of the familial cases of the neurodegenerative disorder amyotrophic lateral sclerosis (ALS), the genetic basis remains unknown. These authors show that mutations in the profilin 1 (PFN1) gene, which is essential for the conversion of monomeric to filamentous actin, can cause familial ALS. The available data suggest that alterations in cytoskeletal pathways contribute to the pathogenesis of ALS. The observation of PFN1 mutations in ALS has immediate implications for diagnostic testing of familial ALS cases and provides a novel potential target for the treatment of ALS. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a late-onset neurodegenerative disorder resulting from motor neuron death. Approximately 10% of cases are familial (FALS), typically with a dominant inheritance mode. Despite numerous advances in recent years1,2,3,4,5,6,7,8,9, nearly 50% of FALS cases have unknown genetic aetiology. Here we show that mutations within the profilin 1 (PFN1) gene can cause FALS. PFN1 is crucial for the conversion of monomeric (G)-actin to filamentous (F)-actin. Exome sequencing of two large ALS families showed different mutations within the PFN1 gene. Further sequence analysis identified 4 mutations in 7 out of 274 FALS cases. Cells expressing PFN1 mutants contain ubiquitinated, insoluble aggregates that in many cases contain the ALS-associated protein TDP-43. PFN1 mutants also display decreased bound actin levels and can inhibit axon outgrowth. Furthermore, primary motor neurons expressing mutant PFN1 display smaller growth cones with a reduced F/G-actin ratio. These observations further document that cytoskeletal pathway alterations contribute to ALS pathogenesis.

Abstract Cerebral organoids are 3D stem cell-derived models that can be utilized to study the human brain. The current consensus is that cerebral organoids consist of cells derived from the neuroectodermal lineage. This limits their value and applicability, as mesodermal-derived microglia are important players in neural development and disease. Remarkably, here we show that microglia can innately develop within a cerebral organoid model and display their characteristic ramified morphology. The transcriptome and response to inflammatory stimulation of these organoid-grown microglia closely mimic the transcriptome and response of adult microglia acutely isolated from post mortem human brain tissue. In addition, organoid-grown microglia mediate phagocytosis and synaptic material is detected inside them. In all, our study characterizes a microglia-containing organoid model that represents a valuable tool for studying the interplay between microglia, macroglia, and neurons in human brain development and disease.

Peter 't Hoen, Lude Franke, Bastiaan Heijmans and colleagues present a combined analysis of methylome and transcriptome data from a large collection of whole-blood samples to infer the downstream effects of disease-associated variants. They identify a large number of trait-associated SNPs influencing methylation of CpG sites in trans, providing insights into the downstream functional effects of many disease-associated variants. Most disease-associated genetic variants are noncoding, making it challenging to design experiments to understand their functional consequences1,2. Identification of expression quantitative trait loci (eQTLs) has been a powerful approach to infer the downstream effects of disease-associated variants, but most of these variants remain unexplained3,4. The analysis of DNA methylation, a key component of the epigenome5,6, offers highly complementary data on the regulatory potential of genomic regions7,8. Here we show that disease-associated variants have widespread effects on DNA methylation in trans that likely reflect differential occupancy of trans binding sites by cis-regulated transcription factors. Using multiple omics data sets from 3,841 Dutch individuals, we identified 1,907 established trait-associated SNPs that affect the methylation levels of 10,141 different CpG sites in trans (false discovery rate (FDR) < 0.05). These included SNPs that affect both the expression of a nearby transcription factor (such as NFKB1, CTCF and NKX2-3) and methylation of its respective binding site across the genome. Trans methylation QTLs effectively expose the downstream effects of disease-associated variants.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a relentlessly progressive, fatal motor neuron disease with a variable natural history. There are no accurate models that predict the disease course and outcomes, which complicates risk assessment and counselling for individual patients, stratification of patients for trials, and timing of interventions. We therefore aimed to develop and validate a model for predicting a composite survival endpoint for individual patients with ALS.We obtained data for patients from 14 specialised ALS centres (each one designated as a cohort) in Belgium, France, the Netherlands, Germany, Ireland, Italy, Portugal, Switzerland, and the UK. All patients were diagnosed in the centres after excluding other diagnoses and classified according to revised El Escorial criteria. We assessed 16 patient characteristics as potential predictors of a composite survival outcome (time between onset of symptoms and non-invasive ventilation for more than 23 h per day, tracheostomy, or death) and applied backward elimination with bootstrapping in the largest population-based dataset for predictor selection. Data were gathered on the day of diagnosis or as soon as possible thereafter. Predictors that were selected in more than 70% of the bootstrap resamples were used to develop a multivariable Royston-Parmar model for predicting the composite survival outcome in individual patients. We assessed the generalisability of the model by estimating heterogeneity of predictive accuracy across external populations (ie, populations not used to develop the model) using internal-external cross-validation, and quantified the discrimination using the concordance (c) statistic (area under the receiver operator characteristic curve) and calibration using a calibration slope.Data were collected between Jan 1, 1992, and Sept 22, 2016 (the largest data-set included data from 1936 patients). The median follow-up time was 97·5 months (IQR 52·9-168·5). Eight candidate predictors entered the prediction model: bulbar versus non-bulbar onset (univariable hazard ratio [HR] 1·71, 95% CI 1·63-1·79), age at onset (1·03, 1·03-1·03), definite versus probable or possible ALS (1·47, 1·39-1·55), diagnostic delay (0·52, 0·51-0·53), forced vital capacity (HR 0·99, 0·99-0·99), progression rate (6·33, 5·92-6·76), frontotemporal dementia (1·34, 1·20-1·50), and presence of a C9orf72 repeat expansion (1·45, 1·31-1·61), all p<0·0001. The c statistic for external predictive accuracy of the model was 0·78 (95% CI 0·77-0·80; 95% prediction interval [PI] 0·74-0·82) and the calibration slope was 1·01 (95% CI 0·95-1·07; 95% PI 0·83-1·18). The model was used to define five groups with distinct median predicted (SE) and observed (SE) times in months from symptom onset to the composite survival outcome: very short 17·7 (0·20), 16·5 (0·23); short 25·3 (0·06), 25·2 (0·35); intermediate 32·2 (0·09), 32·8 (0·46); long 43·7 (0·21), 44·6 (0·74); and very long 91·0 (1·84), 85·6 (1·96).We have developed an externally validated model to predict survival without tracheostomy and non-invasive ventilation for more than 23 h per day in European patients with ALS. This model could be applied to individualised patient management, counselling, and future trial design, but to maximise the benefit and prevent harm it is intended to be used by medical doctors only.Netherlands ALS Foundation.

© 2020 The Authors. Published by Elsevier B.V. on behalf of International Federation of Clinical Neurophysiology. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

For many complex traits, genetic variants have been found associated. However, it is still mostly unclear through which downstream mechanism these variants cause these phenotypes. Knowledge of these intermediate steps is crucial to understand pathogenesis, while also providing leads for potential pharmacological intervention. Here we relied upon natural human genetic variation to identify effects of these variants on trans-gene expression (expression quantitative trait locus mapping, eQTL) in whole peripheral blood from 1,469 unrelated individuals. We looked at 1,167 published trait- or disease-associated SNPs and observed trans-eQTL effects on 113 different genes, of which we replicated 46 in monocytes of 1,490 different individuals and 18 in a smaller dataset that comprised subcutaneous adipose, visceral adipose, liver tissue, and muscle tissue. HLA single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were 10-fold enriched for trans-eQTLs: 48% of the trans-acting SNPs map within the HLA, including ulcerative colitis susceptibility variants that affect plausible candidate genes AOAH and TRBV18 in trans. We identified 18 pairs of unlinked SNPs associated with the same phenotype and affecting expression of the same trans-gene (21 times more than expected, P<10−16). This was particularly pronounced for mean platelet volume (MPV): Two independent SNPs significantly affect the well-known blood coagulation genes GP9 and F13A1 but also C19orf33, SAMD14, VCL, and GNG11. Several of these SNPs have a substantially higher effect on the downstream trans-genes than on the eventual phenotypes, supporting the concept that the effects of these SNPs on expression seems to be much less multifactorial. Therefore, these trans-eQTLs could well represent some of the intermediate genes that connect genetic variants with their eventual complex phenotypic outcomes.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder with a substantial heritable component. In pedigrees affected by its familial form, incomplete penetrance is often observed. We hypothesized that this could be caused by a complex inheritance of risk variants in multiple genes. Therefore, we screened 111 familial ALS (FALS) patients from 97 families, and large cohorts of sporadic ALS (SALS) patients and control subjects for mutations in TAR DNA-binding protein (TARDBP), fused in sarcoma/translated in liposarcoma (FUS/TLS), superoxide dismutase-1 (SOD1), angiogenin (ANG) and chromosome 9 open reading frame 72 (C9orf72). Mutations were identified in 48% of FALS families, 8% of SALS patients and 0.5% of control subjects. In five of the FALS families, we identified multiple mutations in ALS-associated genes. We detected FUS/TLS and TARDBP mutations in combination with ANG mutations, and C9orf72 repeat expansions with TARDBP, SOD1 and FUS/TLS mutations. Statistical analysis demonstrated that the presence of multiple mutations in FALS is in excess of what is to be expected by chance (P = 1.57 × 10−7). The most compelling evidence for an oligogenic basis was found in individuals with a p.N352S mutation in TARDBP, detected in five FALS families and three apparently SALS patients. Genealogical and haplotype analyses revealed that these individuals shared a common ancestor. We obtained DNA of 14 patients with this TARDBP mutation, 50% of whom had an additional mutation (ANG, C9orf72 or homozygous TARDBP). Hereby, we provide evidence for an oligogenic aetiology of ALS. This may have important implications for the interpretation of whole exome/genome experiments designed to identify new ALS-associated genes and for genetic counselling, especially of unaffected family members.