Background Identifying individuals at risk for developing Alzheimer disease (AD) is of utmost importance. Although genetic studies have identified AD-associated SNPs in APOE and other genes, genetic information has not been integrated into an epidemiological framework for risk prediction. Methods and findings Using genotype data from 17,008 AD cases and 37,154 controls from the International Genomics of Alzheimer’s Project (IGAP Stage 1), we identified AD-associated SNPs (at p < 10−5). We then integrated these AD-associated SNPs into a Cox proportional hazard model using genotype data from a subset of 6,409 AD patients and 9,386 older controls from Phase 1 of the Alzheimer’s Disease Genetics Consortium (ADGC), providing a polygenic hazard score (PHS) for each participant. By combining population-based incidence rates and the genotype-derived PHS for each individual, we derived estimates of instantaneous risk for developing AD, based on genotype and age, and tested replication in multiple independent cohorts (ADGC Phase 2, National Institute on Aging Alzheimer’s Disease Center [NIA ADC], and Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative [ADNI], total n = 20,680). Within the ADGC Phase 1 cohort, individuals in the highest PHS quartile developed AD at a considerably lower age and had the highest yearly AD incidence rate. Among APOE ε3/3 individuals, the PHS modified expected age of AD onset by more than 10 y between the lowest and highest deciles (hazard ratio 3.34, 95% CI 2.62–4.24, p = 1.0 × 10−22). In independent cohorts, the PHS strongly predicted empirical age of AD onset (ADGC Phase 2, r = 0.90, p = 1.1 × 10−26) and longitudinal progression from normal aging to AD (NIA ADC, Cochran–Armitage trend test, p = 1.5 × 10−10), and was associated with neuropathology (NIA ADC, Braak stage of neurofibrillary tangles, p = 3.9 × 10−6, and Consortium to Establish a Registry for Alzheimer’s Disease score for neuritic plaques, p = 6.8 × 10−6) and in vivo markers of AD neurodegeneration (ADNI, volume loss within the entorhinal cortex, p = 6.3 × 10−6, and hippocampus, p = 7.9 × 10−5). Additional prospective validation of these results in non-US, non-white, and prospective community-based cohorts is necessary before clinical use. Conclusions We have developed a PHS for quantifying individual differences in age-specific genetic risk for AD. Within the cohorts studied here, polygenic architecture plays an important role in modifying AD risk beyond APOE. With thorough validation, quantification of inherited genetic variation may prove useful for stratifying AD risk and as an enrichment strategy in therapeutic trials.

ABSTRACT We conducted genome sequencing to search for rare variation contributing to early onset Alzheimer’s disease (EOAD) and frontotemporal dementia (FTD). Discovery analysis was conducted on 493 cases and 671 controls of European ancestry. Burden testing for rare variation associated with disease was conducted using filters based on variant rarity (less than 1 in 10,000 or private), computational prediction of deleteriousness (CADD 10 or 15 thresholds), and molecular function (protein loss-of-function only, coding alteration only, or coding plus non-coding variants in experimentally predicted regulatory regions). Replication analysis was conducted on 16,871 independent cases and 15,941 independent controls. Rare variants in TET2 were enriched in the discovery combined EOAD and FTD cohort ( p =6.5×10 −8 , genome-wide corrected p =0.0037). Most of these variants were canonical loss-of-function or non-coding in predicted regulatory regions. This enrichment replicated across several cohorts of AD and FTD (replication only p =0.0071). The combined analysis odds ratio was 2.2 (95% CI 1.5–3.2) for AD and FTD. The odds ratio for qualifying non-coding variants considered independently from coding variants was 2.1 (95% CI 1.2–3.9). For loss-of-function variants, the combined odds ratio (for AD, FTD, and amyotrophic lateral sclerosis, which shares clinicopathological overlap with FTD) was 3.2 (95% CI 2.0–5.3). TET2 catalyzes DNA demethylation. Given well-defined changes in DNA methylation that occur during aging, rare variation in TET2 may confer risk for neurodegeneration by altering the homeostasis of key aging-related processes. Additionally, our study emphasizes the relevance of non-coding variation in genetic studies of complex disease.

Altered immune signatures are emerging as a central theme in neurodegenerative disease, yet little is known about immune responses in early-onset Alzheimer's disease (EOAD).

Abstract Hexanucleotide repeat expansion (HRE) within C9orf72 is the most common genetic cause of frontotemporal dementia (FTD). Thalamic atrophy occurs in both sporadic and familial FTD but is thought to distinctly affect HRE carriers. Separately, emerging evidence suggests widespread de-repression of transposable elements (TEs) in the brain in several neurodegenerative diseases, including C9orf72 HRE-mediated FTD (C9-FTD). Whether TE activation can be measured in peripheral blood and how the reduction in peripheral C9orf72 expression observed in HRE carriers relates to atrophy and clinical impairment remain unknown. We used the FreeSurfer pipeline and its extensions to assess the effects of C9orf72 HRE and clinical diagnosis ( n = 78) on atrophy of thalamic nuclei. We also generated a novel, whole-blood RNA-seq dataset to determine the relationships between peripheral C9orf72 expression, TE activation, thalamic atrophy, and clinical severity ( n = 114). We confirmed global thalamic atrophy and reduced C9orf72 expression in HRE carriers. Moreover, we identified disproportionate atrophy of the right mediodorsal lateral nucleus in HRE carriers and showed that C9orf72 expression associated with clinical severity, independent of thalamic atrophy. Strikingly, we found global peripheral activation of TEs, including the human endogenous LINE-1 element, L1HS. L1HS levels were associated with atrophy of multiple pulvinar nuclei, a thalamic region implicated in C9-FTD. Integration of peripheral transcriptomic and neuroimaging data from HRE carriers revealed atrophy of specific thalamic nuclei; demonstrated that C9orf72 levels relate to clinical severity; and identified marked de-repression of TEs, including L1HS , which predicted atrophy of FTD-relevant thalamic nuclei. Significance Statement Pathogenic repeat expansion in C9orf72 is the most frequent genetic cause of frontotemporal dementia and amyotrophic lateral sclerosis (C9-FTD/ALS). The clinical, neuroimaging, and pathological features of C9-FTD/ALS are well-characterized, whereas the intersections of transcriptomic dysregulation and brain structure remain largely unexplored. Herein, we utilized a novel radiogenomic approach to examine the relationship between peripheral blood transcriptomics and thalamic atrophy, a neuroimaging feature disproportionately impacted in C9-FTD/ALS. We confirmed reduction of C9orf72 in blood and found broad dysregulation of transposable elements—genetic elements typically repressed in the human genome—in symptomatic C9orf72 expansion carriers, which associated with atrophy of thalamic nuclei relevant to FTD. C9orf72 expression was also associated with clinical severity, suggesting that peripheral C9orf72 levels capture disease-relevant information.

Abstract Introduction A hexanucleotide repeat expansion (HRE) intronic to chromosome 9 open reading frame 72 ( C9orf72 ) is recognized as the most common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), frontotemporal dementia (FTD), and ALS-FTD. Identifying genes that show similar regional co-expression patterns to C9orf72 may help identify novel gene targets and biological mechanisms that mediate selective vulnerability to ALS and FTD pathogenesis. Methods We leveraged mRNA expression data in healthy brain from the Allen Human Brain Atlas to evaluate C9orf72 co-expression patterns. To do this, we correlated average C9orf72 expression values in 51 regions across different anatomical divisions (cortex, subcortex, cerebellum) with average gene expression values for 15,633 protein-coding genes, including 50 genes known to be associated with ALS, FTD, or ALS-FTD. We then evaluated whether the identified C9orf72 co-expressed genes correlated with patterns of cortical thickness in symptomatic C9orf72 pathogenic HRE carriers (n=19). Lastly, we explored whether genes with significant C9orf72 radiogenomic correlations (i.e., ‘ C9orf72 gene network’) were enriched in specific cell populations in the brain and enriched for specific biological and molecular pathways. Results A total of 1,748 genes showed an anatomical distribution of gene expression in the brain similar to C9orf72 and significantly correlated with patterns of cortical thickness in C9orf72 HRE carriers. This C9orf72 gene network was differentially expressed in cell populations previously implicated in ALS and FTD, including layer 5b cells, cholinergic motor neurons in the spinal cord, and medium spiny neurons of the striatum, and was enriched for biological and molecular pathways associated with multiple neurotransmitter systems, protein ubiquitination, autophagy, and MAPK signaling, among others. Conclusions Considered together, we identified a network of C9orf72 -associated genes that may influence selective regional and cell-type-specific vulnerabilities in ALS/FTD.

In frontotemporal lobar degeneration (FTLD), pathological protein aggregation in specific brain regions is associated with declines in human-specialized social-emotional and language functions. In most patients, disease protein aggregates contain either TDP-43 (FTLD-TDP) or tau (FTLD-tau). Here, we explored whether FTLD-associated regional degeneration patterns relate to regional gene expression of human accelerated regions (HARs), conserved sequences that have undergone positive selection during recent human evolution. To this end, we used structural neuroimaging from patients with FTLD and human brain regional transcriptomic data from controls to identify genes expressed in FTLD-targeted brain regions. We then integrated primate comparative genomic data to test our hypothesis that FTLD targets brain regions linked to expression levels of recently evolved genes. In addition, we asked whether genes whose expression correlates with FTLD atrophy are enriched for genes that undergo cryptic splicing when TDP-43 function is impaired. We found that FTLD-TDP and FTLD-tau subtypes target brain regions with overlapping and distinct gene expression correlates, highlighting many genes linked to neuromodulatory functions. FTLD atrophy-correlated genes were strongly enriched for HARs. Atrophy-correlated genes in FTLD-TDP showed greater overlap with TDP-43 cryptic splicing genes and genes with more numerous TDP-43 binding sites compared with atrophy-correlated genes in FTLD-tau. Cryptic splicing genes were enriched for HAR genes, and vice versa, but this effect was due to the confounding influence of gene length. Analyses performed at the individual-patient level revealed that the expression of HAR genes and cryptically spliced genes within putative regions of disease onset differed across FTLD-TDP subtypes.

Abstract Background Emerging evidence from mouse models is beginning to elucidate the brain’s immune response to tau pathology, but little is known about the nature of this response in humans. In addition, it remains unclear to what extent tau pathology and the local inflammatory response within the brain influence the broader immune system. Methods To address these questions, we performed single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from carriers of pathogenic variants in MAPT , the gene encoding tau. Results Analysis of ∼181,000 individual PBMC transcriptomes from MAPT pathogenic variant carriers ( n = 8) and healthy non-carrier controls ( n = 8) demonstrated striking differential expression in monocytes and natural killer (NK) cells. We observed a marked reduction in the expression of CX3CR1 – the gene encoding the fractalkine receptor that is known to modulate tau pathology in mouse models – in monocytes and NK cells. We also observed a significant reduction in the abundance of nonclassical monocytes and dysregulated expression of nonclassical monocyte marker genes, including FCGR3A . Finally, we identified reductions in TMEM176A and TMEM176B , genes thought to be involved in the inflammatory response in human microglia. We confirmed differential expression of select biologically relevant genes dysregulated in our scRNA-seq data using droplet digital PCR as an orthogonal technique for quantitative validation. Conclusions Our results suggest that human peripheral immune cell expression and abundance are modulated by tau-associated pathophysiologic changes. CX3CR1 and nonclassical monocytes in particular will be a focus of future work exploring the role of these peripheral signals in additional tau-associated neurodegenerative diseases.

Importance: Altered immune signatures are emerging as a central theme in neurodegenerative disease, yet little is known about immune responses in early-onset Alzheimer9s disease (EOAD). Objective: To determine whether an EOAD-specific immune signal can be detected in blood. Design: We examined single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and droplet digital (dd)PCR data from CD4 T cells from participants with EOAD and clinically normal controls. Setting: University of California, San Francisco Memory and Aging Center. Participants: Samples were collected for the study from 2017 to 2021. Participants with EOAD were diagnosed with AD prior to age 65. Data were last analyzed September 2023. Main Outcomes and Measures: The primary analysis (scRNA-seq) examined whether EOAD was associated with altered frequency of any PBMC subsets. Secondary analysis (ddPCR) measured marker gene expression in CD4 T cells. Results: Over 182,000 individual PBMC transcriptomes were analyzed by scRNA-seq from 16 individuals (mean [SD] age at sample collection, 52.2 [9.6] years; 8 [50.0%] were female; 8 [50.0%] had clinical diagnosis of AD). The relative abundance of PBMC subsets was tested for association with EOAD while controlling for age and sex. Of 19 PBMC clusters, one cluster, representing interferon signaling-associated gene (ISAG)-hi T cells, was significantly expanded in EOAD (P = 0.005). A validation cohort consisting of 19 individuals (mean [SD] age at sample collection, 57.7 [4.1] years; 13 [68.4%] were female; 9 [47.4%] had clinical diagnosis of AD) was used for CD4 T cell isolation and ddPCR analysis. Expression of MX1 and IFI6, marker genes for ISAG-hi T cells, was significantly elevated in participants with EOAD (P = 0.002 and P = 0.04, respectively). Secondary analyses of independent scRNA-seq datasets from later-onset AD and familial tauopathy indicated that ISAG-hi T cells are detected but not elevated in these related diseases. Conclusions and Relevance: ISAG-hi T cells, which appear primed for antiviral activity, are significantly and specifically expanded in EOAD. Additional research into the role of this rare cell type in neurodegeneration is warranted.

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.

Neurodegenerative diseases likely share common underlying pathobiology. Although prior work has identified susceptibility loci associated with various dementias, few, if any, studies have systematically evaluated shared genetic risk across several neurodegenerative diseases. Using genome-wide association data from large studies (total n = 82,337 cases and controls), we utilized a previously validated approach to identify genetic overlap and reveal common pathways between progressive supranuclear palsy (PSP), frontotemporal dementia (FTD), Parkinson's disease (PD) and Alzheimer's disease (AD). In addition to the MAPT H1 haplotype, we identified a variant near the chemokine receptor CXCR4 that was jointly associated with increased risk for PSP and PD. Using bioinformatics tools, we found strong physical interactions between CXCR4 and four microglia related genes, namely CXCL12, TLR2, RALB and CCR5. Evaluating gene expression from post-mortem brain tissue, we found that expression of CXCR4 and microglial genes functionally related to CXCR4 was dysregulated across a number of neurodegenerative diseases. Furthermore, in a mouse model of tauopathy, expression of CXCR4 and functionally associated genes was significantly altered in regions of the mouse brain that accumulate neurofibrillary tangles most robustly. Beyond MAPT, we show dysregulation of CXCR4 expression in PSP, PD, and FTD brains, and mouse models of tau pathology. Our multi-modal findings suggest that abnormal signaling across a network of microglial genes may contribute to neurodegeneration and may have potential implications for clinical trials targeting immune dysfunction in patients with neurodegenerative diseases.