Abstract Stratified medicine holds great promise to tailor treatment to the needs of individual patients. While genetics holds great potential to aid patient stratification, it remains a major challenge to operationalize complex genetic risk factor profiles to deconstruct clinical heterogeneity. Contemporary approaches to this problem rely on polygenic risk scores (PRS), which provide only limited clinical utility and lack a clear biological foundation. To overcome these limitations, we develop the CASTom-iGEx approach to stratify individuals based on the aggregated impact of their genetic risk factor profiles on tissue specific gene expression levels. The paradigmatic application of this approach to coronary artery disease or schizophrenia patient cohorts identified diverse strata or biotypes. These biotypes are characterized by distinct endophenotype profiles as well as clinical parameters and are fundamentally distinct from PRS based groupings. In stark contrast to the latter, the CASTom-iGEx strategy discovers biologically meaningful and clinically actionable patient subgroups, where complex genetic liabilities are not randomly distributed across individuals but rather converge onto distinct disease relevant biological processes. These results support the notion of different patient biotypes characterized by partially distinct pathomechanisms. Thus, the universally applicable approach presented here has the potential to constitute an important component of future personalized medicine paradigms.

Genomic copy number variants (CNVs) have been strongly implicated in the etiology of schizophrenia (SCZ). However, apart from a small number of risk variants, elucidation of the CNV contribution to risk has been difficult due to the rarity of risk alleles, all occurring in less than 1% of cases. We sought to address this obstacle through a collaborative effort in which we applied a centralized analysis pipeline to a SCZ cohort of 21,094 cases and 20,227 controls. We observed a global enrichment of CNV burden in cases (OR=1.11, P=5.7e-15), which persisted after excluding loci implicated in previous studies (OR=1.07, P=1.7e-6). CNV burden is also enriched for genes associated with synaptic function (OR = 1.68, P = 2.8e-11) and neurobehavioral phenotypes in mouse (OR = 1.18, P= 7.3e-5). We identified genome-wide significant support for eight loci, including 1q21.1, 2p16.3 (NRXN1), 3q29, 7q11.2, 15q13.3, distal 16p11.2, proximal 16p11.2 and 22q11.2. We find support at a suggestive level for nine additional candidate susceptibility and protective loci, which consist predominantly of CNVs mediated by non-allelic homologous recombination (NAHR).

Schizophrenia (SCZ) and bipolar disorder (BD) are highly heritable disorders that share a significant proportion of common risk variation. Understanding the genetic factors underlying the specific symptoms of these disorders will be crucial for improving diagnosis, intervention and treatment. In case-control data consisting of 53,555 cases (20,129 BD, 33,426 SCZ) and 54,065 controls, we identified 114 genome-wide significant loci (GWS) when comparing all cases to controls, of which 41 represented novel findings. Two genome-wide significant loci were identified when comparing SCZ to BD and a third was found when directly incorporating functional information. Regional joint association identified a genomic region of overlapping association in BD and SCZ with disease-independent causal variants indicating a fourth region contributing to differences between these disorders. Regional SNP-heritability analyses demonstrated that the estimated heritability of BD based on the SCZ GWS regions was significantly higher than that based on the average genomic region (91 regions, p = 1.2x10-6) while the inverse was not significant (19 regions, p=0.89). Using our BD and SCZ GWAS we calculated polygenic risk scores and identified several significant correlations with: 1) SCZ subphenotypes: negative symptoms (SCZ, p=3.6x10-6) and manic symptoms (BD, p=2x10-5), 2) BD subphenotypes: psychotic features (SCZ p=1.2x10-10, BD p=5.3x10-5) and age of onset (SCZ p=7.9x10-4). Finally, we show that psychotic features in BD has significant SNP-heritability (h2snp=0.15, SE=0.06), and a significant genetic correlation with SCZ (rg=0.34) in addition there is a significant sign test result between SCZ GWAS and a GWAS of BD cases contrasting those with and without psychotic features (p=0.0038, one-side binomial test). For the first time, we have identified specific loci pointing to a potential role of 4 genes (DARS2, ARFGEF2, DCAKD and GATAD2A) that distinguish between BD and SCZ, providing an opportunity to understand the biology contributing to clinical differences of these disorders. Our results provide the best evidence so far of genomic components distinguishing between BD and SCZ that contribute directly to specific symptom dimensions.

Abstract Maternal immune activation (MIA) during prenatal development is an environmental risk factor for psychiatric disorders including schizophrenia (SZ). This link is particularly well established in the case of schizophrenia. Converging lines of evidence from human and animal model studies have suggested that elevated cytokine levels in the maternal and fetal compartments are an important indication of the mechanisms driving this association. However, there is variability in susceptibility to the psychiatric risk conferred by MIA, likely influenced by genetic factors. How MIA interacts with a genetic profile susceptible to SZ is challenging to test in animal models. To address this gap, we examined whether differential gene expression responses occur in forebrain-lineage neural progenitor cells (NPCs) derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC) generated from three individuals with a diagnosis of schizophrenia and three healthy controls. Following acute (24 hour) treatment with either interferon-gamma (IFNγ; 25 ng/μl) or interleukin (IL)-1β (10 ng/μl), we identified, by RNA sequencing, 3380 differentially expressed genes (DEGs) in the IFNγ-treated control lines (compared to untreated controls), and 1980 DEGs in IFNγ-treated SZ lines (compared to untreated SZ lines). Of these, 359 genes responded differently to IFNγ treatment in SZ relative to control lines, which were enriched for genes differentially expressed in adult SZ cases and in pathways related to the regulation of antigen processing, neuronal post-synaptic density, and the presynapse. There were no differentially expressed genes in the IL-1β-treatment conditions after Benjamini-Hochberg correction. Gene set enrichment analysis however showed that IL-1β impacts immune function and neuronal differentiation. Collectively, our data suggest that a) SZ NPCs show an attenuated transcriptional response to IFNγ treatment compared to control NPCs; b) IL-1β may be less relevant to NPC cultures than IFNγ and c) the genes differentially regulated in schizophrenia lines are primarily mitochondrial, loss-of-function, pre- and post-synaptic genes. Our findings particularly highlight early synaptic development as a key target for future research into the mechanisms of association between maternal immune activation and schizophrenia risk. Highlights • There is a significant transcriptional response to IFNγ treatment in human induced cortical neural progenitor cells (NPCs) • Differential expression implicates mitochondrial complex genes in this IFNγ-dependent response, which are underexpressed in response to treatment in schizophrenia (SZ) NPCs. • SZ NPCs do not upregulate pre- and post-synaptic genes in response to IFNγ as much as control NPCs • IL-1β may be less relevant to NPC cultures than IFNγ due to low IL1 receptor expression in NPCs.