Balanced chromosomal abnormalities (BCAs) represent a relatively untapped reservoir of single-gene disruptions in neurodevelopmental disorders (NDDs). We sequenced BCAs in patients with autism or related NDDs, revealing disruption of 33 loci in four general categories: (1) genes previously associated with abnormal neurodevelopment (e.g., AUTS2, FOXP1, and CDKL5), (2) single-gene contributors to microdeletion syndromes (MBD5, SATB2, EHMT1, and SNURF-SNRPN), (3) novel risk loci (e.g., CHD8, KIRREL3, and ZNF507), and (4) genes associated with later-onset psychiatric disorders (e.g., TCF4, ZNF804A, PDE10A, GRIN2B, and ANK3). We also discovered among neurodevelopmental cases a profoundly increased burden of copy-number variants from these 33 loci and a significant enrichment of polygenic risk alleles from genome-wide association studies of autism and schizophrenia. Our findings suggest a polygenic risk model of autism and reveal that some neurodevelopmental genes are sensitive to perturbation by multiple mutational mechanisms, leading to variable phenotypic outcomes that manifest at different life stages.

As a Mendelian neurodegenerative disorder, the genetic risk of Huntington’s disease (HD) is conferred entirely by an HTT CAG repeat expansion whose length is the primary determinant of the rate of pathogenesis leading to disease onset. To investigate the pathogenic process that precedes disease, we used genome-wide association (GWA) analysis to identify loci harboring genetic variations that alter the age at neurological onset of HD. A chromosome 15 locus displays two independent effects that accelerate or delay onset by 6.1 years and 1.4 years, respectively, whereas a chromosome 8 locus hastens onset by 1.6 years. Association at MLH1 and pathway analysis of the full GWA results support a role for DNA handling and repair mechanisms in altering the course of HD. Our findings demonstrate that HD disease modification in humans occurs in nature and offer a genetic route to identifying in-human validated therapeutic targets in this and other Mendelian disorders.PaperClip/cms/asset/54b950ee-cc41-404a-b8c5-9433ee289296/mmc6.mp3Loading ...(mp3, 4.19 MB) Download audio

Variable, glutamine-encoding, CAA interruptions indicate that a property of the uninterrupted HTT CAG repeat sequence, distinct from the length of huntingtin's polyglutamine segment, dictates the rate at which Huntington's disease (HD) develops. The timing of onset shows no significant association with HTT cis-eQTLs but is influenced, sometimes in a sex-specific manner, by polymorphic variation at multiple DNA maintenance genes, suggesting that the special onset-determining property of the uninterrupted CAG repeat is a propensity for length instability that leads to its somatic expansion. Additional naturally occurring genetic modifier loci, defined by GWAS, may influence HD pathogenesis through other mechanisms. These findings have profound implications for the pathogenesis of HD and other repeat diseases and question the fundamental premise that polyglutamine length determines the rate of pathogenesis in the "polyglutamine disorders."

Abstract The expanded HTT CAG repeat causing Huntington’s disease (HD) exhibits somatic expansion proposed to drive the rate of disease onset by eliciting a pathological process that ultimately claims vulnerable cells. To gain insight into somatic expansion in humans, we performed comprehensive quantitative analyses of CAG expansion in ~50 central nervous system (CNS) and peripheral postmortem tissues from seven adult-onset and one juvenile-onset HD individual. We also assessed ATXN1 CAG repeat expansion in brain regions of an individual with a neurologically and pathologically distinct repeat expansion disorder, spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1). Our findings reveal similar profiles of tissue instability in all HD individuals, which, notably, were also apparent in the SCA1 individual. CAG expansion was observed in all tissues, but to different degrees, with multiple cortical regions and neostriatum tending to have the greatest instability in the CNS, and liver in the periphery. These patterns indicate different propensities for CAG expansion contributed by disease locus-independent trans-factors and demonstrate that expansion per se is not sufficient to cause cell type or disease-specific pathology. Rather, pathology may reflect distinct toxic processes triggered by different repeat lengths across cell types and diseases. We also find that the HTT CAG length-dependent expansion propensity of an individual is reflected in all tissues and in cerebrospinal fluid. Our data indicate that peripheral cells may be a useful source to measure CAG expansion in biomarker assays for therapeutic efforts, prompting efforts to dissect underlying mechanisms of expansion that may differ between the brain and periphery.

Abstract

Background

 Huntington's disease (HD) is an inherited neurodegenerative disorder caused by an expanded CAG repeat in the HTT gene. It is diagnosed following a standardized examination of motor control and often presents with cognitive decline and psychiatric symptoms. Recent studies have detected genetic loci modifying the age at onset of motor symptoms in HD, but genetic factors influencing cognitive and psychiatric presentations are unknown. 

Methods

 We tested the hypothesis that psychiatric and cognitive symptoms in HD are influenced by the same common genetic variation as in the general population by 1) constructing polygenic risk scores from large genome-wide association studies of psychiatric and neurodegenerative disorders and of intelligence and 2) testing for correlation with the presence of psychiatric and cognitive symptoms in a large sample (n = 5160) of patients with HD. 

Results

 Polygenic risk score for major depression was associated specifically with increased risk of depression in HD, as was schizophrenia risk score with psychosis and irritability. Cognitive impairment and apathy were associated with reduced polygenic risk score for intelligence. 

Conclusions

 Polygenic risk scores for psychiatric disorders, particularly depression and schizophrenia, are associated with increased risk of the corresponding psychiatric symptoms in HD, suggesting a common genetic liability. However, the genetic liability to cognitive impairment and apathy appears to be distinct from other psychiatric symptoms in HD. No associations were observed between HD symptoms and risk scores for other neurodegenerative disorders. These data provide a rationale for treatments effective in depression and schizophrenia to be used to treat depression and psychotic symptoms in HD.

Huntington's disease pathogenesis involves a genetic gain-of-function toxicity mechanism triggered by the expanded HTT CAG repeat. Current therapeutic efforts aim to suppress expression of total or mutant huntingtin, though the relationship of huntingtin's normal activities to the gain-of-function mechanism and what the effects of huntingtin-lowering might be are unclear. Here, we have re-investigated a rare family segregating two presumed HTT loss-of-function (LoF) variants associated with the developmental disorder, Lopes-Maciel-Rodan syndrome (LOMARS), using whole-genome sequencing of DNA from cell lines, in conjunction with analysis of mRNA and protein expression. Our findings correct the muddled annotation of these HTT variants, reaffirm they are the genetic cause of the LOMARS phenotype and demonstrate that each variant is a huntingtin hypomorphic mutation. The NM_002111.8: c.4469+1G>A splice donor variant results in aberrant (exon 34) splicing and severely reduced mRNA, whereas, surprisingly, the NM_002111.8: c.8157T>A NP_002102.4: Phe2719Leu missense variant results in abnormally rapid turnover of the Leu2719 huntingtin protein. Thus, although rare and subject to an as yet unknown LoF intolerance at the population level, bona fide HTT LoF variants can be transmitted by normal individuals leading to severe consequences in compound heterozygotes due to huntingtin deficiency.

ABSTRACT Current clinical guidelines recommend three genetic tests for the assessment of fetal structural anomalies: karyotype to detect microscopically-visible balanced and unbalanced chromosomal rearrangements, chromosomal microarray (CMA) to detect sub-microscopic copy number variants (CNVs), and exome sequencing (ES) to identify individual nucleotide changes in coding sequence. Advances in genome sequencing (GS) analysis suggest that it is poised to displace the sequential application of all three conventional tests to become a single diagnostic approach for the assessment of fetal structural anomalies. However, systematic benchmarking is required to assure that GS can capture the full mutational spectrum associated with fetal structural anomalies and to accurately quantify the added diagnostic yield of GS. We applied a novel GS analytic framework that included the discovery, filtration, and interpretation of nine classes of genomic variation to 7,195 individuals. We assessed the sensitivity of GS to detect diagnostic variants (pathogenic or likely pathogenic) from three standard-of-care tests using 1,612 autism spectrum disorder quartet families (ASD; n=6,448) with matched GS, ES, and CMA data, and validated these findings in 46 fetuses with a clinically reportable variant originally identified by karyotype, CMA, or ES. We then assessed the added diagnostic yield of GS in 249 trios (n=747) comprising a fetus with a structural anomaly detected by ultrasound and two unaffected parents that were pre-screened with a combination of all three standard-of-care tests. Across both cohorts, our GS analytic framework identified 98.2% of all diagnostic variants detected by standard-of-care tests, including 100% of those originally detected by CMA (n=88) and ES (n=61), as well as 78.6% (n=11/14) of the chromosomal rearrangements identified by karyotype. The diagnostic yield from GS was 7.8% across all 1,612 ASD probands, almost two-fold more than CMA (4.4%) and three-fold more than ES (3.0%). We also demonstrated that the yield of ES can approach that of GS when CNVs are captured with high sensitivity from exome data (7.4% vs. 7.8%, respectively). In 249 pre-screened fetuses with structural anomalies, GS provided an additional diagnostic yield of 0.4% beyond the combination of all three tests (karyotype, CMA, and ES). Applying our benchmarking results to existing data indicates that GS can achieve an overall diagnostic yield of 46.1% in unselected fetuses with fetal structural anomalies, providing an estimated 17.2% increase in diagnostic yield over karyotype, 14.1% over CMA, and 36.1% over ES when sequence variants are assessed, and 4.1% when CNVs are also identified from exome data. In this study we demonstrate that GS is sensitive to the detection of almost all pathogenic variation captured by karyotype, CMA, and ES, provides a superior diagnostic yield than any individual test by a wide margin, and contributes a modest increase in diagnostic yield beyond the combination of all three tests. We also outline several strategies to aid the interpretation of GS variants that are cryptic to conventional technologies, which we anticipate will be increasingly encountered as comprehensive variant identification from GS is performed. Taken together, these data suggest GS warrants consideration as a first-tier diagnostic approach for fetal structural anomalies.

SUMMARY The effects of variable, glutamine-encoding, CAA interruptions indicate that a property of the uninterrupted HTT CAG repeat sequence, distinct from huntingtin’s polyglutamine segment, dictates the rate at which HD develops. The timing of onset shows no significant association with HTT cis -eQTLs but is influenced, sometimes in a sex-specific manner, by polymorphic variation at multiple DNA maintenance genes, suggesting that the special onset-determining property of the uninterrupted CAG repeat is a propensity for length instability that leads to its somatic expansion. Additional naturally-occurring genetic modifier loci, defined by GWAS, may influence HD pathogenesis through other mechanisms. These findings have profound implications for the pathogenesis of HD and other repeat diseases and question a fundamental premise of the “polyglutamine disorders”.

SUMMARY Recurrent deletion and duplication of ∼743 kilobases of unique genomic sequence and segmental duplications at chromosome 16p11.2 underlie a reciprocal genomic disorder (RGD; OMIM 611913 and 614671) associated with neurodevelopmental and psychiatric phenotypes, including intellectual disability, autism spectrum disorder (ASD), and schizophrenia (SCZ). To define molecular alterations associated with the 16p11.2 RGD, we performed transcriptome analyses of mice with reciprocal copy number variants (CNVs) of the syntenic chromosome 7qF3 region and human neuronal models derived from isogenic human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) carrying CRISPR-engineered CNVs at 16p11.2. Analysis of differentially expressed genes (DEGs) in mouse cortex, striatum, cerebellum and three non-brain tissues, as well as in human neural stem cells and induced glutamatergic neurons revealed that the strongest and most consistent effects occurred within the CNV sequence, with notable instances of differential expression of genes in the immediate vicinity that could reflect position effect. While differential expression of genes outside of chromosome 16p11.2 was largely region, tissue, and cell type-specific, a small but significant minority of such DEGs was shared between brain regions or human cell types. Gene Ontology (GO) enrichment analyses to identify cellular processes dysregulated due to these CNVs found support in select circumstances for terms related to energy metabolism, RNA metabolism, and translation but did not reveal a single universally affected process. Weighted gene co-expression network analysis identified modules that showed significant correlation with reciprocal or individual CNV genotype and better captured shared effects, indicating that energy metabolism, RNA metabolism, translation and protein targeting were disrupted across all three brain regions. The first two of these processes also emerged in the human neural stem cell (NSC) data. A subset of co-expression modules that correlated with CNV genotype revealed significant enrichments for known neurodevelopmental disorder genes, loss-of-function constrained genes, FMRP targets, and chromatin modifiers. Intriguingly, neuronal differentiation of the hiPSCs revealed that both the deletion and duplication CNV resulted in similar deficits in neurite extension and branching and alterations in electrical activity. Finally, generation of cerebral organoid derivatives indicated that the CNVs reciprocally altered the ratio of excitatory and inhibitory GABAergic neurons generated during in vitro neurodevelopment, consistent with a major mechanistic hypothesis for ASD. Collectively, our data suggest that the 16p11.2 RGD involves disruption of multiple biological processes, with a relative impact that is context-specific. Perturbation of individual and multiple genes within the CNV region will be required to dissect single-gene effects, uncover regulatory interactions, and define how each contributes to abnormal neurodevelopment.

Summary The age at onset of motor symptoms in Huntington’s disease (HD) is driven by HTT CAG repeat length but modified by other genes. We used exome sequencing of 683 HD patients with extremes of onset or phenotype relative to CAG length to identify rare variants associated with clinical effect. We identified damaging coding variants in candidate modifier genes from prior genome-wide association studies associated with altered HD onset or severity. Variants in FAN1 clustered in its DNA-binding and nuclease domains and were associated predominantly with earlier onset HD. Nuclease activities of these variants correlated with residual age at motor onset of HD. Mutating endogenous FAN1 to a nuclease-inactive form in an induced pluripotent stem cell model of HD led to rates of CAG expansion comparable to those observed with complete FAN1 knock out. Together, these data implicate FAN1 nuclease activity in slowing somatic repeat expansion and hence onset of HD.