ABSTRACT Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an archetypal complex disease centered on progressive death of motor neurons. Despite heritability estimates of 52%, GWAS studies have discovered only seven genome-wide significant hits, which are relevant to <10% of ALS patients. To increase the power of gene discovery, we integrated motor neuron functional genomics with ALS genetics in a hierarchical Bayesian model called RefMap. Comprehensive transcriptomic and epigenetic profiling of iPSC-derived motor neurons enabled RefMap to systematically fine-map genes and pathways associated with ALS. As a significant extension of the known genetic architecture of ALS, we identified a group of 690 candidate ALS genes, which is enriched with previously discovered risk genes. Extensive conservation, transcriptome and network analyses demonstrated the functional significance of these candidate genes in motor neurons and disease progression. In particular, we observed a genetic convergence on the distal axon, which supports the prevailing view of ALS as a distal axonopathy. Of the new ALS genes we discovered, we further characterized KANK1 that is enriched with coding and noncoding, common and rare ALS-associated genetic variation. Modelling patient mutations in human neurons reduced KANK1 expression and produced neurotoxicity with disruption of the distal axon. RefMap can be applied broadly to increase the discovery power in genetic association studies of human complex traits and diseases.

Abstract The non-coding genome is substantially larger than the protein-coding genome but is largely unexplored by genetic association studies. Here, we performed region-based burden analysis of >25,000 variants in untranslated regions of 6,139 amyotrophic lateral sclerosis (ALS) whole-genomes and 70,403 non-ALS controls. We identified Interleukin-18 Receptor Accessory Protein (IL18RAP) 3′UTR variants significantly enriched in non-ALS genomes, replicated in an independent cohort, and associated with a five-fold reduced risk of developing ALS. Variant IL18RAP 3′UTR reduces mRNA stability and the binding of RNA-binding proteins. Variant IL18RAP 3′UTR further dampens neurotoxicity of human iPSC-derived C9orf72-ALS microglia that depends on NF-κB signaling. Therefore, the variant IL18RAP 3′UTR provides survival advantage for motor neurons co-cultured with C9-ALS microglia. The study reveals direct genetic evidence and therapeutic targets for neuro-inflammation, and emphasizes the importance of non-coding genetic association studies. One Sentence Summary Non-coding genetic variants in IL-18 receptor 3’UTR decrease ALS risk by modifying IL-18-NF-κB signaling in microglia.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease. Selective vulnerability of energy-intensive motor neurons (MNs) has fostered speculation that mitochondrial function is a determinant of ALS. Previously, the position of mitochondrial function in the pathogenic cascade leading to neurotoxicity has been unclear. We separated upstream genetic determinants of mitochondrial function, including genetic variation within the mitochondrial genome or autosomes; from downstream changeable factors including mitochondrial copy number (mtCN) and MN gene expression. We discovered that functionally validated mitochondrial haplotypes are a determinant of ALS survival but not ALS risk. Loss-of-function genetic variants within, and reduced MN expression of, ACADM and DNA2 lead to shorter ALS survival; both genes impact mitochondrial function. MtCN responds dynamically to the onset of ALS independent of mitochondrial haplotype, and is also significantly correlated with disease severity. We conclude that mitochondrial function impacts ALS progression but not risk; our findings have therapeutic implications.

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.

SPTLC1 encodes a critical subunit of serine palmitoyltransferase, the enzyme catalyzing the first and rate-limiting step in de novo sphingolipid biosynthesis, and mutations in this gene are known to cause hereditary sensory autonomic neuropathy, type 1A . Using exome sequencing, we identified a de novo variant in SPTLC1 resulting in a p.Ala20Ser amino acid change in an individual diagnosed with juvenile-onset amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and confirmed its pathogenicity by showing elevated plasma levels of neurotoxic deoxymethyl-sphinganine. A second case of juvenile-onset ALS arising again from a p.Ala20Ser mutation was later identified, confirming the association of SPTLC1 with this form of motor neuron disease. We also found SPTLC1 mutations in 0.34% of 5,607 ALS cases, and immunohistochemically confirmed the expression of SPTLC1 in spinal cord motor neurons, supporting their role in the pathogenesis of this fatal neurological disease. We corrected the toxicity of deoxymethyl-sphinganine in HEK293FT cells using L-serine supplementation. Our data broaden the phenotype associated with SPTLC1 and suggest that nutritional supplementation with serine may be beneficial if instituted at an early stage among patients carrying mutations in SPTLC1 .

Abstract Background Astrocytes have multiple roles including providing neurons with metabolic substrates and maintaining neurotransmitter synaptic homeostasis. Astrocyte glucose metabolism plays a key role in learning and memory with astrocytic glycogen a key substrate supporting memory encoding. The neuronal support provided by astrocytes has a high metabolic demand. Deficits in astrocytic mitochondrial metabolic functioning and glycolysis could impair neuronal function. Changes to cellular metabolism are seen early in Alzheimer’s disease (AD). Understanding cellular metabolism changes in AD astrocytes could be exploited as a new biomarker or synergistic therapeutic agent when combined with anti-amyloid treatments in AD. Methods In this project, we characterised mitochondrial and glycolytic function in astrocytes derived from patients with sporadic (n=6) and familial (PSEN1, n=3) forms of AD. Astrocytes were derived using direct reprogramming methods. Astrocyte metabolic outputs: ATP, and extracellular lactate levels were measured using luminescent and fluorescent protocols. Mitochondrial respiration and glycolytic function were measured using a Seahorse XF Analyzer. Hexokinase deficits identified where corrected by transfecting astrocytes with an adenovirus viral vector containing the hexokinase 1 gene. Results There was a reduction of total cellular ATP of 20% (p=0.05 in sAD astrocytes) and of 48% (p<0.01) in fAD. A 44% reduction (p<0.05), and 80% reduction in mitochondrial spare capacity was seen in sAD and fAD astrocytes respectively. Reactive oxygen species (ROS) were increased in both AD astrocyte types (p=0.05). Mitochondrial complex I and II was significantly increased in sAD (p<0.05) but not in fAD. Astrocyte glycolytic reserve and extracellular lactate was significantly reduced when compared to controls in both sAD and fAD (p<0.05). We identified a deficit in the glycolytic pathway enzyme hexokinase, and correcting this deficit restored most of the metabolic phenotype in sAD but not fAD astrocytes. Conclusion AD astrocytes have abnormalities in functional capacity of mitochondria and the process of glycolysis. These functional deficits can be improved by correcting hexokinase expression deficits with adenoviral vectors. This suggests that hexokinase 1 deficiency could potentially be exploited as a new therapeutic target for AD.

Identifying large repeat expansions such as those that cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and Fragile X syndrome is challenging for short-read (100-150 bp) whole genome sequencing (WGS) data. A solution to this problem is an important step towards integrating WGS into precision medicine. We have developed a software tool called ExpansionHunter that, using PCR-free WGS short-read data, can genotype repeats at the locus of interest, even if the expanded repeat is larger than the read length. We applied our algorithm to WGS data from 3,001 ALS patients who have been tested for the presence of the C9orf72 repeat expansion with repeat-primed PCR (RP-PCR). Taking the RP-PCR calls as the ground truth, our WGS-based method identified pathogenic repeat expansions with 98.1% sensitivity and 99.7% specificity. Further inspection identified that all 11 conflicts were resolved as errors in the original RP-PCR results. Compared against this updated result, ExpansionHunter correctly classified all (212/212) of the expanded samples as either expansions (208) or potential expansions (4). Additionally, 99.9% (2,786/2,789) of the wild type samples were correctly classified as wild type by this method with the remaining two identified as possible expansions. We further applied our algorithm to a set of 144 samples where every sample had one of eight different pathogenic repeat expansions including examples associated with fragile X syndrome, Friedreich's ataxia and Huntington's disease and correctly flagged all of the known repeat expansions. Finally, we tested the accuracy of our method for short repeats by comparing our genotypes with results from 860 samples sized using fragment length analysis and determined that our calls were >95% accurate. ExpansionHunter can be used to accurately detect known pathogenic repeat expansions and provides researchers with a tool that can be used to identify new pathogenic repeat expansions.

The most recent genome-wide association study in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) demonstrates a disproportionate contribution from low-frequency variants to genetic susceptibility of disease. We have therefore begun Project MinE, an international collaboration that seeks to analyse whole-genome sequence data of at least 15,000 ALS patients and 7,500 controls. Here, we report on the design of Project MinE and pilot analyses of newly whole-genome sequenced 1,264 ALS patients and 611 controls drawn from the Netherlands. As has become characteristic of sequencing studies, we find an abundance of rare genetic variation (minor allele frequency < 0.1%), the vast majority of which is absent in public data sets. Principal component analysis reveals local geographical clustering of these variants within The Netherlands. We use the whole-genome sequence data to explore the implications of poor geographical matching of cases and controls in a sequence-based disease study and to investigate how ancestry-matched, externally sequenced controls can induce false positive associations. Also, we have publicly released genome-wide minor allele counts in cases and controls, as well as results from genic burden tests.

ABSTRACT Mutations in the superoxide dismutase 1 ( SOD1 ) gene are the second most common known cause of ALS. SOD1 variants express high phenotypic variability and over 200 have been reported in people with ALS. Investigating how different SOD1 variants affect the protein dynamics might help in understanding their pathogenic mechanism and explaining their heterogeneous clinical presentation. It was previously proposed that variants can be broadly classified in two groups, ‘wild-type like’ (WTL) and ‘metal binding region’ (MBR) variants, based on their structural location and biophysical properties. MBR variants are associated with a loss of SOD1 enzymatic activity. In this study we used molecular dynamics and large clinical datasets to characterise the differences in the structural and dynamic behaviour of WTL and MBR variants with respect to the wild-type SOD1, and how such differences influence the ALS clinical phenotype. Our study identified marked structural differences, some of which are observed in both variant groups, while others are group specific. Moreover, applying graph theory to a network representation of the proteins, we identified differences in the intramolecular contacts of the two classes of variants. Finally, collecting clinical data of approximately 500 SOD1 ALS patients carrying variants from both classes, we showed that the survival time of patients carrying an MBR variant is generally longer (~6 years median difference, p < 0.001) with respect to patients with a WTL variant. In conclusion, our study highlights key differences in the dynamic behaviour of the WTL and MBR SOD1 variants, and wild-type SOD1 at an atomic and molecular level. We identified interesting structural features that could be further investigated to explain the associated phenotypic variability. Our results support the hypothesis of a decoupling between mechanisms of onset and progression of SOD1 ALS, and an involvement of loss-of-function of SOD1 with the disease progression.

Immunometabolism and regulation of mitochondrial reactive oxygen species (mROS) control the immune effector phenotype of differentiated macrophages. Mitochondrial function requires dynamic fission and fusion, but whether effector function is coupled to altered dynamics during bacterial responses is unknown. We show that macrophage mitochondria undergo fission after 12 h of progressive ingestion of live Streptococcus pneumoniae (pneumococci), without evidence of Drp-1 phosphorylation at S616. Fission is associated with progressive reduction in oxidative phosphorylation but increased mROS generation. Fission is enhanced by mROS production, PI3Kγ signaling and by cathepsin B, but is independent of inflammasome activation or IL-1β generation. Inhibition of fission reduces bacterial killing. Fission is associated with Parkin recruitment to mitochondria, but not mitophagy. Fission occurs upstream of apoptosis induction and independently of caspase activation. During macrophage innate responses to bacteria mitochondria shift from oxidative phosphorylation and ATP generation to mROS production for microbicidal responses by undergoing fission.