Abstract The genetic basis of Lewy body dementia (LBD) is not well understood. Here, we performed whole-genome sequencing in large cohorts of LBD cases and neurologically healthy controls to study the genetic architecture of this understudied form of dementia and to generate a resource for the scientific community. Genome-wide association analysis identified five independent risk loci, whereas genome-wide gene-aggregation tests implicated mutations in the gene GBA . Genetic risk scores demonstrate that LBD shares risk profiles and pathways with Alzheimer’s and Parkinson’s disease, providing a deeper molecular understanding of the complex genetic architecture of this age-related neurodegenerative condition.

ABSTRACT Despite the considerable progress in unraveling the genetic causes of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), we do not fully understand the molecular mechanisms underlying the disease. We analyzed genome-wide data involving 78,500 individuals using a polygenic risk score approach to identify the biological pathways and cell types involved in ALS. This data-driven approach identified multiple aspects of the biology underlying the disease that resolved into broader themes, namely neuron projection morphogenesis, membrane trafficking , and signal transduction mediated by ribonucleotides . We also found that genomic risk in ALS maps consistently to GABAergic cortical interneurons and oligodendrocytes, as confirmed in human single-nucleus RNA-seq data. Using two-sample Mendelian randomization, we nominated five differentially expressed genes ( ATG16L2, ACSL5, MAP1LC3A, PLXNB2 , and SCFD1 ) within the significant pathways as relevant to ALS. We conclude that the disparate genetic etiologies of this fatal neurological disease converge on a smaller number of final common pathways and cell types.

Abstract Genome-wide association studies of late-onset Alzheimer’s disease (AD) have highlighted the importance of variants associated with genes expressed by the innate immune system in determining risk for AD. Recently, we and others have shown that genes associated with variants that confer risk for AD are significantly enriched in transcriptional networks expressed by amyloid-responsive microglia. This allowed us to predict new risk genes for AD, including the interferon-responsive oligoadenylate synthetase 1 ( OAS1 ). However, the function of OAS1 within microglia and its genetic pathway are not known. Using genotyping from 1,313 individuals with sporadic AD and 1,234 control individuals, we confirm that the OAS1 variant, rs1131454, is associated with increased risk for AD and decreased OAS1 expression. Moreover, we note that the same locus was recently associated with critical illness in response to COVID-19, linking variants that are associated with AD and a severe response to COVID-19. By analysing single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data of isolated microglia from APP NL-G-F knock-in and wild-type C57BL/6J mice, we identify a transcriptional network that is significantly upregulated with age and amyloid deposition, and contains the mouse orthologue Oas1a , providing evidence that Oas1a plays an age-dependent function in the innate immune system. We identify a similar interferon-related transcriptional network containing OAS1 by analysing scRNA-seq data from human microglia isolated from individuals with AD. Finally, using human iPSC-derived microglial cells (h-iPSC-Mg), we see that OAS1 is required to limit the pro-inflammatory response of microglia. When stimulated with interferon-gamma (IFN-γ), we note that cells with lower OAS1 expression show an exaggerated pro-inflammatory response, with increased expression and secretion of TNF-α. Collectively, our data support a link between genetic risk for AD and susceptibility to critical illness with COVID-19 centred on OAS1 and interferon signalling, a finding with potential implications for future treatments of both AD and COVID-19, and the development of biomarkers to track disease progression.

Abstract There is growing evidence to suggest that human gene annotation remains incomplete, with a disproportionate impact on the brain transcriptome. We used RNA-sequencing data from GTEx to detect novel transcription in an annotation-agnostic manner across 13 human brain regions and 28 human tissues. We found that genes highly expressed in brain are significantly more likely to be re-annotated, as are genes associated with Mendelian and complex neurodegenerative disorders. We improved the annotation of 63% of known OMIM-morbid genes and 65% of those with a neurological phenotype. We determined that novel transcribed regions, particularly those identified in brain, tend to be poorly conserved across mammals but are significantly depleted for genetic variation within humans. As exemplified by SNCA , we explored the implications of re-annotation for Mendelian and complex Parkinson’s disease. We validated in silico and experimentally a novel, brain-specific, potentially protein-coding exon of SNCA . We release our findings as tissue-specific transcriptomes in BED format and via vizER: http://rytenlab.com/browser/app/vizER . Together these resources will facilitate basic genomics research with the greatest impact on neurogenetics.

Abstract Humans are thought to be more susceptible to neurodegeneration than equivalently-aged primates. It is not known whether this vulnerability is specific to anatomically-modern humans or shared with other hominids. The contribution of introgressed Neanderthal DNA to neurodegenerative disorders remains uncertain. It is also unclear how common variants associated with neurodegenerative disease risk are maintained by natural selection in the population despite their deleterious effects. In this study, we aimed to quantify the genome-wide contribution of Neanderthal introgression and positive selection to the heritability of complex neurodegenerative disorders to address these questions. We used stratified-linkage disequilibrium score regression to investigate the relationship between five SNP-based signatures of natural selection, reflecting different timepoints of evolution, and genome-wide associated variants of the three most prevalent neurodegenerative disorders: Alzheimer’s disease, amyotrophic lateral sclerosis and Parkinson’s disease. We found no evidence for enrichment of positively-selected SNPs in the heritability of Alzheimer’s disease, amyotrophic lateral sclerosis and Parkinson’s disease,, suggesting that common deleterious disease variants are unlikely to be maintained by positive selection. There was no enrichment of Neanderthal introgression in the SNP-heritability of these disorders, suggesting that Neanderthal admixture is unlikely to have contributed to disease risk. These findings provide insight into the origins of neurodegenerative disorders within the evolution of Homo sapiens and addresses a long-standing debate, showing that Neanderthal admixture is unlikely to have contributed to common genetic risk of neurodegeneration in anatomically-modern humans.

Genome-wide association studies have generated an increasing number of common genetic variants that affect neurological and psychiatric disease risk. Given that many causal variants are likely to operate by regulating gene expression, an improved understanding of the genetic control of gene expression in human brain is vital. However, the difficulties of sampling human brain, and its complexity, has meant that brain-related expression quantitative trait loci (eQTL) and allele specific expression (ASE) signals have been more limited in their explanatory power than might otherwise be expected. To address this, we use paired genomic and transcriptomic data from putamen and substantia nigra dissected from 117 brains, combined with a comprehensive set of analyses, to interrogate regulation at different stages of RNA processing and uncover novel transcripts. We identify disease-relevant regulatory loci and reveal the types of analyses and regulatory positions yielding the most disease-specific information. We find that splicing eQTLs are enriched for neuron-specific regulatory information; that ASE analyses provide highly cell-specific regulatory information; and that incomplete annotation of the brain transcriptome limits the interpretation of risk loci for neuropsychiatric disease. We release this rich resource of regulatory data through a searchable webserver, http://braineacv2.inf.um.es/.

Dystonia is a neurological disorder characterized by sustained or intermittent muscle contractions causing abnormal movements and postures, often occurring in absence of any structural brain abnormality. Psychiatric comorbidities, including anxiety, depression, obsessive-compulsive disorder and schizophrenia, are frequent in dystonia patients. While mutations in a fast-growing number of genes have been linked to Mendelian forms of dystonia, the cellular, anatomical, and molecular basis remains unknown for most genetic forms of dystonia, as does its genetic and biological relationship to neuropsychiatric disorders. Here we applied an unbiased systems-biology approach to explore the cellular specificity of all currently known dystonia-associated genes, predict their functional relationships, and test whether dystonia and neuropsychiatric disorders share a genetic relationship. To determine the cellular specificity of dystonia-associated genes in the brain, single-nuclear transcriptomic data derived from mouse brain was used together with expression-weighted cell-type enrichment. To identify functional relationships amongst dystonia-associated genes, we determined the enrichment of these genes in co-expression networks constructed from ten human brain regions. Stratified linkage-disequilibrium score regression was used to test whether co-expression modules enriched for dystonia-associated genes significantly contribute to the heritability of anxiety, major depressive disorder, obsessive-compulsive disorder, schizophrenia, and Parkinson disease. Dystonia-associated genes were significantly enriched in adult nigral dopaminergic neurons and striatal medium spiny neurons. Furthermore, four of the 220 gene co-expression modules tested were significantly enriched for the dystonia-associated genes. The identified modules were derived from the substantia nigra, putamen, frontal cortex, and white matter, and were all significantly enriched for genes associated with synaptic function. Finally, we demonstrated significant enrichments of the heritability of depression, obsessive-compulsive disorder and schizophrenia, but not anxiety and Parkinson disease, within the putamen and white matter modules. In conclusion, multiple dystonia-associated genes interact and contribute to pathogenesis likely through dysregulation of synaptic signalling in striatal medium spiny neurons, adult nigral dopaminergic neurons and frontal cortical neurons. Furthermore, the enrichment of the heritability of psychiatric disorders in the co-expression modules enriched for dystonia-associated genes indicates that psychiatric symptoms associated with dystonia are likely to be intrinsic to its pathophysiology.

Knowledge of genomic features specific to the human lineage may provide insights into brain-related diseases. We leverage high-depth whole genome sequencing data to generate a combined annotation identifying regions simultaneously depleted for genetic variation (constrained regions) and poorly conserved across primates. We propose that these constrained, non-conserved regions (CNCRs) have been subject to human-specific purifying selection and are enriched for brain-specific elements. We find that CNCRs are depleted from protein-coding genes but enriched within lncRNAs. We demonstrate that per-SNP heritability of a range of brain-relevant phenotypes are enriched within CNCRs. We find that genes implicated in neurological diseases have high CNCR density, including APOE, highlighting an unannotated intron-3 retention event. Using human brain RNA-sequencing data, we show the intron-3-retaining transcript/s to be more abundant in Alzheimer's disease with more severe tau and amyloid pathological burden. Thus, we demonstrate the importance of human-lineage-specific sequences in brain development and neurological disease. We release our annotation through vizER (https://snca.atica.um.es/browser/app/vizER).### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

ABSTRACT Mitochondrial dysfunction has been implicated in the aetiology of monogenic Parkinson’s disease (PD). Yet the role that mitochondrial processes play in the most common form of the disease; sporadic PD, is yet to be fully established. Here we comprehensively assessed the role of mitochondrial function associated genes in sporadic PD by leveraging improvements in the scale and analysis of PD GWAS data with recent advances in our understanding of the genetics of mitochondrial disease. First, we identified that a proportion of the “missing heritability” of the PD can be explained by common variation within genes implicated in mitochondrial disease (primary gene list) and mitochondrial function (secondary gene list). Next we calculated a mitochondrial-specific polygenic risk score (PRS) and showed that cumulative small effect variants within both our primary and secondary gene lists are significantly associated with increased PD risk. Most significantly we further report that the PRS of the secondary mitochondrial gene list was significantly associated with later age at onset. Finally, to identify possible functional genomic associations we implemented Mendelian randomisation, which showed that 14 of these mitochondrial function associated genes showed functional consequence associated with PD risk. Further analysis suggested that the 14 identified genes are not only involved in mitophagy but implicate new mitochondrial processes. Our data suggests that therapeutics targeting mitochondrial bioenergetics and proteostasis pathways distinct from mitophagy could be beneficial to treating the early stage of PD.

Abstract Background Open science and collaboration are necessary to facilitate the advancement of Parkinson’s disease (PD) research. Hackathons are collaborative events that bring together people with different skill sets and backgrounds to generate resources and creative solutions to problems. These events can be used as training and networking opportunities. Objective To coordinate a virtual hackathon to develop novel PD research tools. Methods 49 early career scientists from 12 countries collaborated in a virtual 3-day hackathon event in May 2021, during which they built tools and pipelines with a focus on PD. Resources were created with the goal of helping scientists accelerate their own research by having access to the necessary code and tools. Results Each team was allocated one of nine different projects, each with a different goal. These included developing post-genome-wide association studies (GWAS) analysis pipelines, downstream analysis of genetic variation pipelines, and various visualization tools. Conclusion Hackathons are a valuable approach to inspire creative thinking, supplement training in data science, and foster collaborative scientific relationships, which are foundational practices for early career researchers. The resources generated can be used to accelerate research on the genetics of PD.