The genetics of schizophrenia and other mental disorders are complex and poorly understood, and made even harder to study because reduced reproduction rates result in negative selection pressure on risk alleles. To date, some copy number variations have been linked to schizophrenia but the studies have been relatively small. Now two independent large-scale genome-wide studies of thousands of patients and controls by two international consortia confirm a previously identified locus but also reveal novel associations. In the first study, a collaboration between SGENE and partners, de novo (spontaneous) copy number variants are reported on chromosomes 1 and 15. In the second study, by the International Schizophrenia Consortium, deletions were also reported on these chromosomes, as was greater overall frequency of copy number variation in the genome. The genetics of schizophrenia and other mental disorders are complex and poorly understood, and made even harder to study due to reduced reproduction resulting in negative selection pressure on risk alleles. Two independent large-scale genome wide studies of thousands of patients and controls by two international consortia confirm a previously identified locus, but also reveal novel associations. In this study, de novo (spontaneous) copy number variants are reported on chromosomes 1 and 15. Reduced fecundity, associated with severe mental disorders1, places negative selection pressure on risk alleles and may explain, in part, why common variants have not been found that confer risk of disorders such as autism2, schizophrenia3 and mental retardation4. Thus, rare variants may account for a larger fraction of the overall genetic risk than previously assumed. In contrast to rare single nucleotide mutations, rare copy number variations (CNVs) can be detected using genome-wide single nucleotide polymorphism arrays. This has led to the identification of CNVs associated with mental retardation4,5 and autism2. In a genome-wide search for CNVs associating with schizophrenia, we used a population-based sample to identify de novo CNVs by analysing 9,878 transmissions from parents to offspring. The 66 de novo CNVs identified were tested for association in a sample of 1,433 schizophrenia cases and 33,250 controls. Three deletions at 1q21.1, 15q11.2 and 15q13.3 showing nominal association with schizophrenia in the first sample (phase I) were followed up in a second sample of 3,285 cases and 7,951 controls (phase II). All three deletions significantly associate with schizophrenia and related psychoses in the combined sample. The identification of these rare, recurrent risk variants, having occurred independently in multiple founders and being subject to negative selection, is important in itself. CNV analysis may also point the way to the identification of additional and more prevalent risk variants in genes and pathways involved in schizophrenia.

Based on its symptoms, schizophrenia has been considered a discrete disease, and yet genome-wide association studies for copy number variations (CNVs) associated with the disease have revealed that some CNVs confer high relative risk of schizophrenia but also of other psychiatric disorders. But CNVs can affect several genes. Now, a genome-wide association of single nucleotide polymorphisms (SNPs) using data from several large genome-wide scans reveals significant associations to individual loci that implicate immunity, brain development, memory and cognition in predisposition to schizophrenia. Here, in the first of three papers on the genetics of schizophrenia, a genome-wide association study of single nucleotide polymorphisms using data from several large genome-wide scans reveals significant associations to individual loci that implicate perturbations in immunity, brain development, memory and cognition in the predisposition to schizophrenia. Schizophrenia is a complex disorder, caused by both genetic and environmental factors and their interactions. Research on pathogenesis has traditionally focused on neurotransmitter systems in the brain, particularly those involving dopamine. Schizophrenia has been considered a separate disease for over a century, but in the absence of clear biological markers, diagnosis has historically been based on signs and symptoms. A fundamental message emerging from genome-wide association studies of copy number variations (CNVs) associated with the disease is that its genetic basis does not necessarily conform to classical nosological disease boundaries. Certain CNVs confer not only high relative risk of schizophrenia but also of other psychiatric disorders1,2,3. The structural variations associated with schizophrenia can involve several genes and the phenotypic syndromes, or the ‘genomic disorders’, have not yet been characterized4. Single nucleotide polymorphism (SNP)-based genome-wide association studies with the potential to implicate individual genes in complex diseases may reveal underlying biological pathways. Here we combined SNP data from several large genome-wide scans and followed up the most significant association signals. We found significant association with several markers spanning the major histocompatibility complex (MHC) region on chromosome 6p21.3-22.1, a marker located upstream of the neurogranin gene (NRGN) on 11q24.2 and a marker in intron four of transcription factor 4 (TCF4) on 18q21.2. Our findings implicating the MHC region are consistent with an immune component to schizophrenia risk, whereas the association with NRGN and TCF4 points to perturbation of pathways involved in brain development, memory and cognition.

Deletions within the neurexin 1 gene (NRXN1; 2p16.3) are associated with autism and have also been reported in two families with schizophrenia. We examined NRXN1, and the closely related NRXN2 and NRXN3 genes, for copy number variants (CNVs) in 2977 schizophrenia patients and 33 746 controls from seven European populations (Iceland, Finland, Norway, Germany, The Netherlands, Italy and UK) using microarray data. We found 66 deletions and 5 duplications in NRXN1, including a de novo deletion: 12 deletions and 2 duplications occurred in schizophrenia cases (0.47%) compared to 49 and 3 (0.15%) in controls. There was no common breakpoint and the CNVs varied from 18 to 420 kb. No CNVs were found in NRXN2 or NRXN3. We performed a Cochran–Mantel–Haenszel exact test to estimate association between all CNVs and schizophrenia (P = 0.13; OR = 1.73; 95% CI 0.81–3.50). Because the penetrance of NRXN1 CNVs may vary according to the level of functional impact on the gene, we next restricted the association analysis to CNVs that disrupt exons (0.24% of cases and 0.015% of controls). These were significantly associated with a high odds ratio (P = 0.0027; OR 8.97, 95% CI 1.8–51.9). We conclude that NRXN1 deletions affecting exons confer risk of schizophrenia.

The authors analyzed the whole-exome sequences of over 16,000 individuals and found that very rare variants predicted to disrupt the SETD1A gene confer substantial risk for schizophrenia. Damaging variants in SETD1A were also associated with diverse, severe developmental disorders, providing an important genetic link between schizophrenia and other neurodevelopmental disorders. By analyzing the whole-exome sequences of 4,264 schizophrenia cases, 9,343 controls and 1,077 trios, we identified a genome-wide significant association between rare loss-of-function (LoF) variants in SETD1A and risk for schizophrenia (P = 3.3 × 10−9). We found only two heterozygous LoF variants in 45,376 exomes from individuals without a neuropsychiatric diagnosis, indicating that SETD1A is substantially depleted of LoF variants in the general population. Seven of the ten individuals with schizophrenia carrying SETD1A LoF variants also had learning difficulties. We further identified four SETD1A LoF carriers among 4,281 children with severe developmental disorders and two more carriers in an independent sample of 5,720 Finnish exomes, both with notable neuropsychiatric phenotypes. Together, our observations indicate that LoF variants in SETD1A cause a range of neurodevelopmental disorders, including schizophrenia. Combining these data with previous common variant evidence, we suggest that epigenetic dysregulation, specifically in the histone H3K4 methylation pathway, is an important mechanism in the pathogenesis of schizophrenia.

Deletions and reciprocal duplications of the chromosome 16p13.1 region have recently been reported in several cases of autism and mental retardation (MR). As genomic copy number variants found in these two disorders may also associate with schizophrenia, we examined 4345 schizophrenia patients and 35 079 controls from 8 European populations for duplications and deletions at the 16p13.1 locus, using microarray data. We found a threefold excess of duplications and deletions in schizophrenia cases compared with controls, with duplications present in 0.30% of cases versus 0.09% of controls (P=0.007) and deletions in 0.12 % of cases and 0.04% of controls (P>0.05). The region can be divided into three intervals defined by flanking low copy repeats. Duplications spanning intervals I and II showed the most significant (P=0.00010) association with schizophrenia. The age of onset in duplication and deletion carriers among cases ranged from 12 to 35 years, and the majority were males with a family history of psychiatric disorders. In a single Icelandic family, a duplication spanning intervals I and II was present in two cases of schizophrenia, and individual cases of alcoholism, attention deficit hyperactivity disorder and dyslexia. Candidate genes in the region include NTAN1 and NDE1. We conclude that duplications and perhaps also deletions of chromosome 16p13.1, previously reported to be associated with autism and MR, also confer risk of schizophrenia.

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder characterised by a progressive loss of motor function. The eponymous spinal sclerosis observed at autopsy is the result of the degeneration of extratelencephalic neurons, Betz cells (ETNs, Cortico-Spinal Motor Neuron). It remains unclear why this neuronal subtype is selectively affected. To understand the unique molecular properties that sensitise these cells to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In unaffected individuals, we found that expression of ALS risk genes was significantly enriched in THY1 + -ETNs and not in other cell types. In patients, these genetic risk factors, as well as genes involved in protein homeostasis and stress responses, were significantly induced in a wide collection of ETNs, but not in neurons with more superficial identities. Examination of oligodendroglial and microglial nuclei revealed patient-specific changes that were at least in part a response to alterations in neurons: downregulation of myelinating genes in oligodendrocytes and upregulation of a reactive state connected to endo-lysosomal pathways in microglia. Our findings suggest that the selective vulnerability of extratelencephalic neurons is partly connected to their intrinsic molecular properties sensitising them to genetics and mechanisms of degeneration. Graphical abstract and working model Our study highlights cell type specific changes in premotor/motor cortex of sporadic ALS patients. Specifically, we identify upregulation of synaptic molecules in excitatory neurons of upper cortical layers, interestingly correlating to hyperexcitability phenotypes seen in patients. Moreover, excitatory neurons of the deeper layers of the cortex, that project to the spinal cord and are most affected by the disease, show higher levels of cellular stresses than other neuronal types. Correspondently, oligodendrocytes transition from a highly myelinating state to a more neuronally engaged state, probably to counteract stressed phenotypes seen in excitatory neurons. At the same time, microglia show a reactive state with specific upregulation of endo-lysosomal pathways.

Abstract The contribution of de novo and ultra-rare genetic variants in severe and moderate intellectual disability (ID) has been extensively studied whereas the genetic architecture of mild ID has been less well characterized. To elucidate the genetic background of milder ID we studied a regional cohort of 442 ID patients enriched for mild ID (>50%) from a population isolate of Finland. We analyzed rare variants using exome sequencing and CNV genotyping and common variants using common variant polygenic risk scores. As controls we used a Finnish collection of exome sequenced (n=11311) and GWAS chip genotyped (n=11699) individuals. We show that rare damaging variants in genes known to be associated with cognitive defects are observed more often in severe (27%) than in mild ID (13%) patients (p-value: 7.0e-4). We further observed a significant enrichment of protein truncating variants in loss-of-function intolerant genes, as well as damaging missense variants in genes not yet associated with cognitive defects (OR: 2.1, p-value: 3e-8). For the first time to our knowledge, we show that a common variant polygenic load significantly contributes to all severity forms of ID. The heritability explained was the highest for educational attainment (EDU) in mild ID explaining 2.2% of the heritability on liability scale. For more severe ID it was lower at 0.6%. Finally, we identified a homozygote variant in the CRADD gene to be a cause of a specific syndrome with ID and pachygyria. The frequency of this variant is 50x higher in the Finnish population than in non-Finnish Europeans, demonstrating the benefits of utilizing population isolates in rare variant analysis of diseases under negative selection.

ABSTRACT Astrocytes play essential roles in normal brain function, with dysfunction implicated in diverse developmental and degenerative disease processes. Emerging evidence of profound species divergent features of astrocytes coupled with the relative inaccessibility of human brain tissue underscore the utility of human pluripotent stem cell (hPSC) technologies for the generation and study of human astrocytes. However, existing approaches for hPSC-astrocyte generation are typically lengthy, incompletely characterized, or require intermediate purification steps, limiting their utility for multi-cell line, adequately powered functional studies. Here, we establish a rapid and highly scalable method for generating functional human induced astrocytes (hiAs) based upon transient Neurogenin 2 (NGN2) induction of neural progenitor-like cells followed by maturation in astrocyte media, which demonstrate remarkable homogeneity within the population and across 11 independent cell lines in the absence of additional purification steps. These hiAs express canonical astrocyte markers, respond to pro-inflammatory stimuli, exhibit ATP-induced calcium transients and support neuronal maturation in vitro . Moreover, single-cell transcriptomic analyses reveal the generation of highly reproducible cell populations across individual donors, most closely resembling human fetal astrocytes, and highly similar to hPSC-derived astrocytes generated using more complex approaches. Finally, the hiAs capture key molecular hallmarks in a trisomy 21 disease model. Thus, hiAs provide a valuable and practical resource well-suited for study of basic human astrocyte function and dysfunction in disease.

Abstract COVID-19 is a disease caused by coronavirus SARS-CoV-2. In addition to respiratory illness, COVID-19 patients exhibit neurological symptoms that can last from weeks to months (long COVID). It is unclear whether these neurological manifestations are due to infection of brain cells. We found that a small fraction of cortical neurons, but not astrocytes, were naturally susceptible to SARS-CoV-2. Based on the inhibitory effect of blocking antibodies, the infection seemed to depend on the receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), which was expressed at very low levels. Although only a limited number of neurons was infectable, the infection was productive, as demonstrated by the presence of double-stranded RNA in the cytoplasm (the hallmark of viral replication), abundant synthesis of viral late genes localized throughout the neuronal cell, and an increase in viral RNA in the culture medium within the first 48 h of infection (viral release). The productive entry of SARS-CoV-2 requires the fusion of the viral and cellular membranes, which results in the delivery of viral genome into the cytoplasm of the target cell. The fusion is triggered by proteolytic cleavage of the viral surface protein spike, which can occur at the plasma membrane or from endo/lysosomes. Using specific combinations of small-molecule inhibitors, we found that SARS-CoV-2 infection of human neurons was insensitive to nafamostat and camostat, which inhibit cellular serine proteases found on the cell surface, including TMPRSS2. In contrast, the infection was blocked by apilimod, an inhibitor of phosphatidyl-inositol 5 kinase (PIK5K) that regulates endosomal maturation. Importance COVID-19 is a disease caused by coronavirus SARS-CoV-2. Millions of patients display neurological symptoms, including headache, impairment of memory, seizures and encephalopathy, as well as anatomical abnormalities such as changes in brain morphology. Whether these symptoms are linked to brain infection is not clear. The mechanism of the virus entry into neurons has also not been characterized. Here we investigated SARS-CoV-2 infection using a human iPSC-derived neural cell model and found that a small fraction of cortical neurons was naturally susceptible to infection. The infection depended on the ACE2 receptor and was productive. We also found that the virus used the late endosomal/lysosomal pathway for cell entry and that the infection could be blocked by apilimod, an inhibitor of the cellular phosphatidyl-inositol 5 kinase.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder characterized by a progressive loss of motor function linked to degenerating extratelencephalic neurons/Betz cells (ETNs). The reasons why these neurons are selectively affected remain unclear. Here, to understand the unique molecular properties that may sensitize ETNs to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In both patients and unaffected individuals, we found significantly higher expression of ALS risk genes in THY1