An atlas of microRNA expression patterns and regulators is produced by deep sequencing of short RNAs in human and mouse cells. MicroRNAs (miRNAs) are short non-coding RNAs with key roles in cellular regulation. As part of the fifth edition of the Functional Annotation of Mammalian Genome (FANTOM5) project, we created an integrated expression atlas of miRNAs and their promoters by deep-sequencing 492 short RNA (sRNA) libraries, with matching Cap Analysis Gene Expression (CAGE) data, from 396 human and 47 mouse RNA samples. Promoters were identified for 1,357 human and 804 mouse miRNAs and showed strong sequence conservation between species. We also found that primary and mature miRNA expression levels were correlated, allowing us to use the primary miRNA measurements as a proxy for mature miRNA levels in a total of 1,829 human and 1,029 mouse CAGE libraries. We thus provide a broad atlas of miRNA expression and promoters in primary mammalian cells, establishing a foundation for detailed analysis of miRNA expression patterns and transcriptional control regions.

SummaryMutations in microtubule-associated protein tau recently have been identified in familial cases of frontotemporal dementia (FTD). We report the frequency of tau mutations in a large population-based study of FTD carried out in the Netherlands from January 1994 to June 1998. Thirty-seven patients had ≥1 first-degree relative with dementia. A mutation in the tau gene was found in 17.8% of the group of patients with FTD and in 43% of patients with FTD who also had a positive family history of FTD. Three distinct missense mutations (G272V, P301L, R406W) accounted for 15.6% of the mutations. These three missense mutations, and a single amino acid deletion (ΔK280) that was detected in one patient, strongly reduce the ability of tau to promote microtubule assembly. We also found an intronic mutation at position +33 after exon 9, which is likely to affect the alternative splicing of tau. Tau mutations are responsible for a large proportion of familial FTD cases; however, there are also families with FTD in which no mutations in tauhave been found, which indicates locus and/or allelic heterogeneity. The different taumutations may result in disturbances in the interactions of the protein tau with microtubules, resulting in hyperphosphorylation of tau protein, assembly into filaments, and subsequent cell death. Mutations in microtubule-associated protein tau recently have been identified in familial cases of frontotemporal dementia (FTD). We report the frequency of tau mutations in a large population-based study of FTD carried out in the Netherlands from January 1994 to June 1998. Thirty-seven patients had ≥1 first-degree relative with dementia. A mutation in the tau gene was found in 17.8% of the group of patients with FTD and in 43% of patients with FTD who also had a positive family history of FTD. Three distinct missense mutations (G272V, P301L, R406W) accounted for 15.6% of the mutations. These three missense mutations, and a single amino acid deletion (ΔK280) that was detected in one patient, strongly reduce the ability of tau to promote microtubule assembly. We also found an intronic mutation at position +33 after exon 9, which is likely to affect the alternative splicing of tau. Tau mutations are responsible for a large proportion of familial FTD cases; however, there are also families with FTD in which no mutations in tauhave been found, which indicates locus and/or allelic heterogeneity. The different taumutations may result in disturbances in the interactions of the protein tau with microtubules, resulting in hyperphosphorylation of tau protein, assembly into filaments, and subsequent cell death.

Transgenic mice overexpressing the P301L mutant human tau protein exhibit an accumulation of hyperphosphorylated tau and develop neurofibrillary tangles. The consequences of tau pathology were investigated here by proteomics followed by functional analysis. Mainly metabolism-related proteins including mitochondrial respiratory chain complex components, antioxidant enzymes, and synaptic proteins were identified as modified in the proteome pattern of P301L tau mice. Significantly, the reduction in mitochondrial complex V levels in the P301L tau mice revealed using proteomics was also confirmed as decreased in human P301L FTDP-17 (frontotemporal dementia with parkinsonism linked to chromosome 17) brains. Functional analysis demonstrated a mitochondrial dysfunction in P301L tau mice together with reduced NADH-ubiquinone oxidoreductase activity and, with age, impaired mitochondrial respiration and ATP synthesis. Mitochondrial dys-function was associated with higher levels of reactive oxygen species in aged transgenic mice. Increased tau pathology as in aged homozygous P301L tau mice revealed modified lipid peroxidation levels and the up-regulation of antioxidant enzymes in response to oxidative stress. Furthermore, P301L tau mitochondria displayed increased vulnerability toward β-amyloid (Aβ) peptide insult, suggesting a synergistic action of tau and Aβ pathology on the mitochondria. Taken together, we conclude that tau pathology involves a mitochondrial and oxidative stress disorder possibly distinct from that caused by Aβ. Transgenic mice overexpressing the P301L mutant human tau protein exhibit an accumulation of hyperphosphorylated tau and develop neurofibrillary tangles. The consequences of tau pathology were investigated here by proteomics followed by functional analysis. Mainly metabolism-related proteins including mitochondrial respiratory chain complex components, antioxidant enzymes, and synaptic proteins were identified as modified in the proteome pattern of P301L tau mice. Significantly, the reduction in mitochondrial complex V levels in the P301L tau mice revealed using proteomics was also confirmed as decreased in human P301L FTDP-17 (frontotemporal dementia with parkinsonism linked to chromosome 17) brains. Functional analysis demonstrated a mitochondrial dysfunction in P301L tau mice together with reduced NADH-ubiquinone oxidoreductase activity and, with age, impaired mitochondrial respiration and ATP synthesis. Mitochondrial dys-function was associated with higher levels of reactive oxygen species in aged transgenic mice. Increased tau pathology as in aged homozygous P301L tau mice revealed modified lipid peroxidation levels and the up-regulation of antioxidant enzymes in response to oxidative stress. Furthermore, P301L tau mitochondria displayed increased vulnerability toward β-amyloid (Aβ) peptide insult, suggesting a synergistic action of tau and Aβ pathology on the mitochondria. Taken together, we conclude that tau pathology involves a mitochondrial and oxidative stress disorder possibly distinct from that caused by Aβ.

Parkinson's disease (PD) is a common neurodegenerative disorder that displays both sporadic and inherited forms. Exposure to several common environmental toxins acting through oxidative stress has been shown to be associated with PD. One recently identified inherited PD gene, DJ-1, may have a role in protection from oxidative stress, thus potentially linking a genetic cause with critical environmental risk factors. To develop an animal model that would allow integrative study of genetic and environmental influences, we have generated Drosophila lacking DJ-1 function. Fly DJ-1 homologs exhibit differential expression: DJ-1beta is ubiquitous, while DJ-1alpha is predominantly expressed in the male germline. DJ-1alpha and DJ-1beta double knockout flies are viable, fertile, and have a normal lifespan; however, they display a striking selective sensitivity to those environmental agents, including paraquat and rotenone, linked to PD in humans. This sensitivity results primarily from loss of DJ-1beta protein, which also becomes modified upon oxidative stress. These studies demonstrate that fly DJ-1 activity is selectively involved in protection from environmental oxidative insult in vivo and that the DJ-1beta protein is biochemically responsive to oxidative stress. Study of these flies will provide insight into the critical interplay of genetics and environment in PD.

Abstract Understanding the molecular mechanisms underlying frontotemporal dementia (FTD) is essential for the development of successful therapies. Systematic studies on human post-mortem brain tissue of patients with genetic subtypes of FTD are currently lacking. The Risk and Modyfing Factors of Frontotemporal Dementia (RiMod-FTD) consortium therefore has generated a multi-omics dataset for genetic subtypes of FTD to identify common and distinct molecular mechanisms disturbed in disease. Here, we present multi-omics datasets generated from the frontal lobe of post-mortem human brain tissue from patients with mutations in MAPT, GRN and C9orf72 and healthy controls. This data resource consists of four datasets generated with different technologies to capture the transcriptome by RNA-seq, and small RNA-seq, and supplemented this date with CAGE-seq, and methylation profiling. We show concrete examples on how to use the resulting data and confirm current knowledge about FTD and identify new processes for further investigation. This extensive multi-omics dataset holds great value to reveal new research avenues for this devastating disease.

Abstract The FOUNdational Data INitiative for Parkinson’s Disease (FOUNDIN-PD) is an international collaboration producing fundamental resources for Parkinson’s disease (PD). FOUNDIN-PD generated a multi-layered molecular dataset in a cohort of induced pluripotent stem cell (iPSC) lines differentiated to dopaminergic (DA) neurons, a major affected cell type in PD. The lines were derived from the Parkinson’s Progression Markers Initiative study including participants with PD carrying monogenic PD ( SNCA ) variants, variants with intermediate effects and variants identified by genome-wide association studies and unaffected individuals. We generated genetic, epigenetic, regulatory, transcriptomic, and longitudinal cellular imaging data from iPSC-derived DA neurons to understand molecular relationships between disease associated genetic variation and proximate molecular events. These data reveal that iPSC-derived DA neurons provide a valuable cellular context and foundational atlas for modelling PD genetic risk. We have integrated these data into a FOUNDIN-PD data browser ( https://www.foundinpd.org ) as a resource for understanding the molecular pathogenesis of PD.

Minimally invasive biomarkers are urgently needed to detect molecular pathology in frontotemporal dementia (FTD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Here, we show that plasma extracellular vesicles (EVs) contain quantifiable amounts of TDP-43 and full-length tau, which allow the quantification of 3-repeat (3R) and 4-repeat (4R) tau isoforms. Plasma EV TDP-43 levels and EV 3R/4R tau ratios were determined in a cohort of 704 patients, including 37 genetically and 31 neuropathologically proven cases. Diagnostic groups comprised patients with TDP-43 proteinopathy ALS, 4R tauopathy progressive supranuclear palsy, behavior variant FTD (bvFTD) as a group with either tau or TDP-43 pathology, and healthy controls. EV tau ratios were low in progressive supranuclear palsy and high in bvFTD with tau pathology. EV TDP-43 levels were high in ALS and in bvFTD with TDP-43 pathology. Both markers discriminated between the diagnostic groups with area under the curve values >0.9, and between TDP-43 and tau pathology in bvFTD. Both markers strongly correlated with neurodegeneration, and clinical and neuropsychological markers of disease severity. Findings were replicated in an independent validation cohort of 292 patients including 34 genetically confirmed cases. Taken together, the combination of EV TDP-43 levels and EV 3R/4R tau ratios may aid the molecular diagnosis of FTD, FTD spectrum disorders and ALS, providing a potential biomarker to monitor disease progression and target engagement in clinical trials.

ABSTRACT Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) is an umbrella term describing the neuropathology of a clinically, genetically and pathologically heterogeneous group of diseases, including frontotemporal dementia (FTD) and progressive supranuclear palsy (PSP). Among the major FTLD pathological subgroups, FTLD with TDP-43 positive inclusions (FTLD-TDP) and FTLD with tau positive inclusions (FTLD-tau) are the most common, representing about 90% of the cases. Although alterations in DNA methylation have been consistently associated with neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease, little is known for FTLD and its heterogeneous subgroups and subtypes. The main goal of this study was to investigate DNA methylation variation in FTLD-TDP and FTLD-tau. We used frontal cortex genome-wide DNA methylation profiles from three FTLD cohorts (234 individuals), generated using the Illumina 450K or EPIC microarray. We performed epigenome-wide association studies (EWAS) for each cohort followed by meta-analysis to identify shared differential methylated loci across FTLD subgroups/subtypes. Additionally, we used weighted gene correlation network analysis to identify co-methylation signatures associated with FTLD and other disease-related traits. Wherever possible, we also incorporated relevant gene/protein expression data. After accounting for a conservative Bonferroni multiple testing correction, the EWAS meta-analysis revealed two differentially methylated loci in FTLD, one annotated to OTUD4 (5’UTR-shore) and the other to NFATC1 (gene body-island). Of these loci, OTUD4 showed consistent upregulation of mRNA and protein expression in FTLD. Additionally, in the three independent co-methylation networks, OTUD4 -containing modules were enriched for EWAS meta-analysis top loci and were strongly associated with the FTLD status. These co-methylation modules were enriched for genes implicated in the ubiquitin system, RNA/stress granule formation and glutamatergic synaptic signalling. Altogether, our findings identified novel FTLD-associated loci, and support a role for DNA methylation as a mechanism involved in the dysregulation of biological processes relevant to FTLD, highlighting novel potential avenues for therapeutic development.

Abstract The microtubule associated protein tau (MAPT) chromosome 17q21.31 locus lies within a region of high linkage disequilibrium (LD) conferring two extended haplotypes commonly referred to as H1 and H2. The major haplotype, H1 has been genetically associated with an increased risk for multiple neurodegenerative disorders, including Progressive Supranuclear Palsy (PSP), Corticobasal Degeneration (CBD), APOE ε4-negative Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD). The mechanism causing this increased risk is largely unknown. Here, we investigated the role of Mild Chronic Oxidative Stress (MCOS) in neurogenin 2 ( NGN2 ) induced neurons (iNeurons) derived from iPS (induced pluripotent stem cells) from carriers of both haplotypes. We identified that iNeurons of the H1 homozygous haplotype showed an increased susceptibility to MCOS compared to homozygous H2 carriers, leading to cell death through ferroptosis. We performed a cellular screen in H1 iNeurons using a FDA-approved Drug Library and identified candidate molecules that rescued the increased susceptibility to MCOS and prevented ferroptosis in H1 iNeurons. Highlights Mild Chronic Oxidative Stress induces neurotoxicity via ferroptosis on iNGN2 neurons Axonal degeneration, disordered microtubules, blebs precede neurotoxicity MAPT-17q21.3 locus H1/H1, risk allele for NDD is more vulnerable to MCOS FDA-approved drugs reverse MCOS induced ferroptosis on H1/H1 risk allele Abstract Figure

Background: Converging evidence suggests that immune-mediated dysfunction plays an important role in the pathogenesis of frontotemporal dementia (FTD). Although genetic studies have shown that immune-associated loci are associated with increased FTD risk, a systematic investigation of genetic overlap between immune-mediated diseases and the spectrum of FTD-related disorders has not been performed. Methods and findings: Using large genome-wide association studies (GWAS) (total n = 192,886 cases and controls) and recently developed tools to quantify genetic overlap/pleiotropy, we systematically identified single nucleotide polymorphisms (SNPs) jointly associated with 'FTD-related disorders' namely FTD, corticobasal degeneration (CBD), progressive supranuclear palsy (PSP), and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) - and one or more immune-mediated diseases including Crohn's disease (CD), ulcerative colitis (UC), rheumatoid arthritis (RA), type 1 diabetes (T1D), celiac disease (CeD), and psoriasis (PSOR). We found up to 270-fold genetic enrichment between FTD and RA and comparable enrichment between FTD and UC, T1D, and CeD. In contrast, we found only modest genetic enrichment between any of the immune-mediated diseases and CBD, PSP or ALS. At a conjunction false discovery rate (FDR) < 0.05, we identified numerous FTD-immune pleiotropic SNPs within the human leukocyte antigen (HLA) region on chromosome 6. By leveraging the immune diseases, we also found novel FTD susceptibility loci within LRRK2 (Leucine Rich Repeat Kinase 2), TBKBP1 (TANK-binding kinase 1 Binding Protein 1), and PGBD5 (PiggyBac Transposable Element Derived 5). Functionally, we found that expression of FTD-immune pleiotropic genes (particularly within the HLA region) is altered in postmortem brain tissue from patients with frontotemporal dementia and is enriched in microglia compared to other central nervous system (CNS) cell types. Conclusions: We show considerable immune-mediated genetic enrichment specifically in FTD, particularly within the HLA region. Our genetic results suggest that for a subset of patients, immune dysfunction may contribute to risk for FTD. These findings have potential implications for clinical trials targeting immune dysfunction in patients with FTD.