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."

To gain insight into how mutant huntingtin (mHtt) CAG repeat length modifies Huntington's disease (HD) pathogenesis, we profiled mRNA in over 600 brain and peripheral tissue samples from HD knock-in mice with increasing CAG repeat lengths. We found repeat length-dependent transcriptional signatures to be prominent in the striatum, less so in cortex, and minimal in the liver. Coexpression network analyses revealed 13 striatal and 5 cortical modules that correlated highly with CAG length and age, and that were preserved in HD models and sometimes in patients. Top striatal modules implicated mHtt CAG length and age in graded impairment in the expression of identity genes for striatal medium spiny neurons and in dysregulation of cyclic AMP signaling, cell death and protocadherin genes. We used proteomics to confirm 790 genes and 5 striatal modules with CAG length-dependent dysregulation at the protein level, and validated 22 striatal module genes as modifiers of mHtt toxicities in vivo.

Huntington's disease (HD) is a dominantly inherited disease caused by a CAG expansion mutation in HTT. The age at onset of clinical symptoms is determined primarily by the length of this CAG expansion but is also influenced by other genetic and/or environmental factors.Recently, through genome-wide association studies (GWAS) aimed at discovering genetic modifiers, we identified loci associated with age at onset of motor signs that are significant at the genome-wide level. However, many additional HD modifiers may exist but may not have achieved statistical significance due to limited power.In order to disseminate broadly the entire GWAS results and make them available to complement alternative approaches, we have developed the internet website "GeM MOA" where genetic association results can be searched by gene name, SNP ID, or genomic coordinates of a region of interest.Users of the Genetic Modifiers of Motor Onset Age (GeM MOA) site can therefore examine support for association between any gene region and age at onset of HD motor signs. GeM MOA's interactive interface also allows users to navigate the surrounding region and to obtain association p-values for individual SNPs.Our website conveys a comprehensive view of the genetic landscape of modifiers of HD from the existing GWAS, and will provide the means to evaluate the potential influence of genes of interest on the onset of HD. GeM MOA is freely available at https://www.hdinhd.org/.

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 Expanded trinucleotide repeats cause many human diseases, including Huntington’s disease (HD). Recent studies indicate that somatic instability of these repeats contributes to pathogenesis in several expansion disorders. We find that lowering huntingtin protein (HTT) levels reduces somatic instability of both the Htt and Atxn2 CAG tracts in knockin mouse models, and the HTT CAG tract in human iPSC-derived neurons, revealing an unexpected role for HTT in regulating somatic instability.

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”.

Abstract 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 exam 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. 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 constructing polygenic risk scores from large genome-wide association studies of psychiatric and neurodegenerative disorders, and of intelligence, and testing for correlation with the presence of psychiatric and cognitive symptoms in a large sample (n=5160) of HD patients. 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. In general, 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.

ABSTRACT Huntington’s disease (HD), due to expansion of a CAG repeat in HTT , is representative of a growing number of disorders involving somatically unstable short tandem repeats. We find that overlapping and distinct genetic modifiers of clinical landmarks and somatic expansion in blood DNA reveal an underlying complexity and cell-type specificity to the mismatch repair-related processes that influence disease timing. Differential capture of non-DNA-repair gene modifiers by multiple measures of cognitive and motor dysfunction argues additionally for cell-type specificity of pathogenic processes. Beyond trans modifiers, differential effects are also illustrated at HTT by a 5’-UTR variant that promotes somatic expansion in blood without influencing clinical HD, while, even after correcting for uninterrupted CAG length, a synonymous sequence change at the end of the CAG repeat dramatically hastens onset of motor signs without increasing somatic expansion. Our findings are directly relevant to therapeutic suppression of somatic expansion in HD and related disorders and provide a route to define the individual neuronal cell types that contribute to different HD clinical phenotypes.