Summary

 We present the largest exome sequencing study of autism spectrum disorder (ASD) to date (n = 35,584 total samples, 11,986 with ASD). Using an enhanced analytical framework to integrate de novo and case-control rare variation, we identify 102 risk genes at a false discovery rate of 0.1 or less. Of these genes, 49 show higher frequencies of disruptive de novo variants in individuals ascertained to have severe neurodevelopmental delay, whereas 53 show higher frequencies in individuals ascertained to have ASD; comparing ASD cases with mutations in these groups reveals phenotypic differences. Expressed early in brain development, most risk genes have roles in regulation of gene expression or neuronal communication (i.e., mutations effect neurodevelopmental and neurophysiological changes), and 13 fall within loci recurrently hit by copy number variants. In cells from the human cortex, expression of risk genes is enriched in excitatory and inhibitory neuronal lineages, consistent with multiple paths to an excitatory-inhibitory imbalance underlying ASD.

Abstract Retrotransposons are dynamic forces in evolutionary genomics and have been implicated as causes of Mendelian disease and hereditary cancer, but their role in Autism Spectrum Disorder (ASD) has never been systematically defined. Here, we report 86,154 polymorphic retrotransposon insertions including >60% not previously reported and 158 de novo retrotransposition events identified in whole genome sequencing (WGS) data of 2,288 families with ASD from the Simons Simplex Collection (SSC). As expected, the overall burden of de novo events was similar between ASD individuals and unaffected siblings, with 1 de novo insertion per 29, 104, and 192 births for Alu, L1, and SVA respectively, and 1 de novo insertion per 20 births total, while the location of transposon insertions differed between ASD and unaffected individuals. ASD cases showed more de novo L1 insertions than expected in ASD genes, and we also found de novo intronic retrotransposition events in known syndromic ASD genes in affected individuals but not in controls. Additionally, we observed exonic insertions in genes with a high probability of being loss-of-function intolerant, including a likely causative exonic insertion in CSDE1 , only in ASD individuals. Although de novo retrotransposition occurs less frequently than single nucleotide and copy number variants, these findings suggest a modest, but important, impact of intronic and exonic retrotransposition mutations in ASD and highlight the utility of developing specific bioinformatic tools for high-throughput detection of transposable element insertions.

Abstract Recurrent copy number variation represents one of the most well-established genetic drivers in neurodevelopmental disorders, including autism spectrum disorder (ASD). Duplication of 15q11.2-13.1 (dup15q) is a well-described neurodevelopmental syndrome that increases the risk of ASD by over 40-fold. However, the effects of this duplication on gene expression and chromatin accessibility in specific cell types in the human brain remain unknown. To identify the cell-type-specific transcriptional and epigenetic effects of dup15q in the human frontal cortex we conducted single-nucleus RNA-sequencing and multi-omic sequencing on dup15q cases (n=6) as well as non-dup15q ASD (n=7) and neurotypical controls (n=7). Cell-type-specific differential expression analysis identified significantly regulated genes, critical biological pathways, and differentially accessible genomic regions. Although there was overall increased gene expression across the duplicated genomic region, cellular identity represented an important factor mediating gene expression changes. Neuronal subtypes, showed greater upregulation of gene expression across a critical region within the duplication as compared to other cell types. Genes within the duplicated region that had high baseline expression in control individuals showed only modest changes in dup15q, regardless of cell type. Of note, dup15q and ASD had largely distinct signatures of chromatin accessibility, but shared the majority of transcriptional regulatory motifs, suggesting convergent biological pathways. However, the transcriptional binding factor motifs implicated in each condition implicated distinct biological mechanisms; neuronal JUN/FOS networks in ASD vs. an inflammatory transcriptional network in dup15q microglia. This work provides a cell-type-specific analysis of how dup15q changes gene expression and chromatin accessibility in the human brain and finds evidence of marked cell-type-specific effects of this genetic driver. These findings have implications for guiding therapeutic development in dup15q syndrome, as well as understanding the functional effects CNVs more broadly in neurodevelopmental disorders.

Recurrent copy-number variation represents one of the most well-established genetic drivers in neurodevelopmental disorders, including autism spectrum disorder. Duplication of 15q11-q13 (dup15q) is a well-described neurodevelopmental syndrome that increases the risk of autism more than 40-fold. However, the effects of this duplication on gene expression and chromatin accessibility in specific cell types in the human brain remain unknown. To identify the cell-type-specific transcriptional and epigenetic effects of dup15q in the human frontal cortex, we conducted single-nucleus RNA sequencing and multi-omic sequencing on dup15q-affected individuals (n = 6) as well as individuals with non-dup15q autism (n = 7) and neurotypical control individuals (n = 7). Cell-type-specific differential expression analysis identified significantly regulated genes, critical biological pathways, and differentially accessible genomic regions. Although there was overall increased gene expression across the duplicated genomic region, cellular identity represented an important factor mediating gene-expression changes. As compared to other cell types, neuronal subtypes showed greater upregulation of gene expression across a critical region within the duplication. Genes that fell within the duplicated region and had high baseline expression in control individuals showed only modest changes in dup15q, regardless of cell type. Of note, dup15q and autism had largely distinct signatures of chromatin accessibility but shared the majority of transcriptional regulatory motifs, suggesting convergent biological pathways. However, the transcriptional binding-factor motifs implicated in each condition implicated distinct biological mechanisms: neuronal JUN and FOS networks in autism vs. an inflammatory transcriptional network in dup15q microglia. This work provides a cell-type-specific analysis of how dup15q changes gene expression and chromatin accessibility in the human brain, and it finds evidence of marked cell-type-specific effects of this genetic driver. These findings have implications for guiding therapeutic development in dup15q syndrome, as well as understanding the functional effects of copy-number variants more broadly in neurodevelopmental disorders.

Abstract While large trinucleotide repeat expansions at the FMR1 locus cause Fragile X Syndrome (FXS), smaller “premutations” are associated with the late-onset condition Fragile X-associated tremor/ataxia syndrome (FXTAS), which shows very different clinical and pathological features, with no clear molecular explanation for these marked differences. One prevailing theory posits that the premutation uniquely causes neurotoxic increases in FMR1 mRNA (i.e., 4-8-fold increases), but evidence to support this hypothesis is largely derived from analysis of peripheral blood. We applied single- nucleus RNA-sequencing to post-mortem frontal cortex and cerebellum from 9 individuals with Fragile X mutations as well as age and sex matched controls (n=6) to assess cell-type specific molecular neuropathology. We found robust reduction of FMR1 mRNA in FXS as expected, with modest but significant upregulation (∼1.3 fold) of FMR1 in glial clusters associated with premutation expansions. In premutation cases we identified alterations in glia number in cortex and cerebellum. Differential expression analysis demonstrated altered cortical oligodendrocyte development, while gene ontology analysis revealed alterations in neuroregulatory roles of glia, such as glial modulation of neurotransmission and synaptic structure. We identified significant enrichment of known FMR1 protein target genes in differentially expressed gene lists in FXS as well as the premutation, suggesting FMR1 protein target pathways may represent a shared source of dysfunction in both conditions despite opposite FMR1 mRNA changes. These findings challenge existing dogma regarding FXTAS and implicate glial dysregulation as a critical facet of premutation pathophysiology, representing novel therapeutic targets directly derived from the human condition.

We present the largest exome sequencing study of autism spectrum disorder (ASD) to date (n=35,584 total samples, 11,986 with ASD). Using an enhanced Bayesian framework to integrate de novo and case-control rare variation, we identify 102 risk genes at a false discovery rate ≤ 0.1. Of these genes, 49 show higher frequencies of disruptive de novo variants in individuals ascertained for severe neurodevelopmental delay, while 53 show higher frequencies in individuals ascertained for ASD; comparing ASD cases with mutations in these groups reveals phenotypic differences. Expressed early in brain development, most of the risk genes have roles in regulation of gene expression or neuronal communication (i.e., mutations effect neurodevelopmental and neurophysiological changes), and 13 fall within loci recurrently hit by copy number variants. In human cortex single-cell gene expression data, expression of risk genes is enriched in both excitatory and inhibitory neuronal lineages, consistent with multiple paths to an excitatory/inhibitory imbalance underlying ASD.