Variable, glutamine-encoding, CAA interruptions indicate that a property of the uninterrupted HTT CAG repeat sequence, distinct from the length of huntingtin's polyglutamine segment, dictates the rate at which Huntington's disease (HD) develops. The timing of onset shows no significant association with HTT cis-eQTLs but is influenced, sometimes in a sex-specific manner, by polymorphic variation at multiple DNA maintenance genes, suggesting that the special onset-determining property of the uninterrupted CAG repeat is a propensity for length instability that leads to its somatic expansion. Additional naturally occurring genetic modifier loci, defined by GWAS, may influence HD pathogenesis through other mechanisms. These findings have profound implications for the pathogenesis of HD and other repeat diseases and question the fundamental premise that polyglutamine length determines the rate of pathogenesis in the "polyglutamine disorders."

Abstract

Background

 Huntington's disease (HD) is an inherited neurodegenerative disorder caused by an expanded CAG repeat in the HTT gene. It is diagnosed following a standardized examination of motor control and often presents with cognitive decline and psychiatric symptoms. Recent studies have detected genetic loci modifying the age at onset of motor symptoms in HD, but genetic factors influencing cognitive and psychiatric presentations are unknown. 

Methods

 We tested the hypothesis that psychiatric and cognitive symptoms in HD are influenced by the same common genetic variation as in the general population by 1) constructing polygenic risk scores from large genome-wide association studies of psychiatric and neurodegenerative disorders and of intelligence and 2) testing for correlation with the presence of psychiatric and cognitive symptoms in a large sample (n = 5160) of patients with HD. 

Results

 Polygenic risk score for major depression was associated specifically with increased risk of depression in HD, as was schizophrenia risk score with psychosis and irritability. Cognitive impairment and apathy were associated with reduced polygenic risk score for intelligence. 

Conclusions

 Polygenic risk scores for psychiatric disorders, particularly depression and schizophrenia, are associated with increased risk of the corresponding psychiatric symptoms in HD, suggesting a common genetic liability. However, the genetic liability to cognitive impairment and apathy appears to be distinct from other psychiatric symptoms in HD. No associations were observed between HD symptoms and risk scores for other neurodegenerative disorders. These data provide a rationale for treatments effective in depression and schizophrenia to be used to treat depression and psychotic symptoms in HD.

SUMMARY The effects of variable, glutamine-encoding, CAA interruptions indicate that a property of the uninterrupted HTT CAG repeat sequence, distinct from huntingtin’s polyglutamine segment, dictates the rate at which HD develops. The timing of onset shows no significant association with HTT cis -eQTLs but is influenced, sometimes in a sex-specific manner, by polymorphic variation at multiple DNA maintenance genes, suggesting that the special onset-determining property of the uninterrupted CAG repeat is a propensity for length instability that leads to its somatic expansion. Additional naturally-occurring genetic modifier loci, defined by GWAS, may influence HD pathogenesis through other mechanisms. These findings have profound implications for the pathogenesis of HD and other repeat diseases and question a fundamental premise of the “polyglutamine disorders”.

Summary The age at onset of motor symptoms in Huntington’s disease (HD) is driven by HTT CAG repeat length but modified by other genes. We used exome sequencing of 683 HD patients with extremes of onset or phenotype relative to CAG length to identify rare variants associated with clinical effect. We identified damaging coding variants in candidate modifier genes from prior genome-wide association studies associated with altered HD onset or severity. Variants in FAN1 clustered in its DNA-binding and nuclease domains and were associated predominantly with earlier onset HD. Nuclease activities of these variants correlated with residual age at motor onset of HD. Mutating endogenous FAN1 to a nuclease-inactive form in an induced pluripotent stem cell model of HD led to rates of CAG expansion comparable to those observed with complete FAN1 knock out. Together, these data implicate FAN1 nuclease activity in slowing somatic repeat expansion and hence onset of HD.

Abstract Huntington’s disease (HD) is an inherited neurodegenerative disorder caused by an expanded CAG repeat in the HTT gene. It is diagnosed following a standardized exam of motor control and often presents with cognitive decline and psychiatric symptoms. Recent studies have detected genetic loci modifying the age at onset of motor symptoms in HD, but genetic factors influencing cognitive and psychiatric presentations are unknown. We tested the hypothesis that psychiatric and cognitive symptoms in HD are influenced by the same common genetic variation as in the general population by constructing polygenic risk scores from large genome-wide association studies of psychiatric and neurodegenerative disorders, and of intelligence, and testing for correlation with the presence of psychiatric and cognitive symptoms in a large sample (n=5160) of HD patients. Polygenic risk score for major depression was associated specifically with increased risk of depression in HD, as was schizophrenia risk score with psychosis and irritability. Cognitive impairment and apathy were associated with reduced polygenic risk score for intelligence. In general, polygenic risk scores for psychiatric disorders, particularly depression and schizophrenia, are associated with increased risk of the corresponding psychiatric symptoms in HD, suggesting a common genetic liability. However, the genetic liability to cognitive impairment and apathy appears to be distinct from other psychiatric symptoms in HD. No associations were observed between HD symptoms and risk scores for other neurodegenerative disorders. These data provide a rationale for treatments effective in depression and schizophrenia to be used to treat depression and psychotic symptoms in HD.

Abstract Objective To assess the prevalence, timing and functional impact of psychiatric, cognitive and motor abnormalities in Huntington’s disease (HD) gene carriers, we analysed retrospective clinical data from individuals with manifest HD. Methods Clinical features of HD patients were analysed for 6316 individuals in the European REGISTRY study from 161 sites across 17 countries. Data came from clinical history and the patient-completed Clinical Characteristics Questionnaire that assessed eight symptoms: motor, cognitive, apathy, depression, perseverative/obsessive behavior, irritability, violent/aggressive behavior, and psychosis. Multiple logistic regression was used to analyse relationships between symptoms and functional outcomes. Results The initial manifestation of HD is increasingly likely to be motor, and less likely to be psychiatric, as age at presentation increases, and is independent of pathogenic CAG repeat length. The Clinical Characteristics Questionnaire captures data on non-motor symptom prevalence that correlate specifically with validated clinical measures. Psychiatric and cognitive symptoms are common in HD gene carriers, with earlier onsets associated with longer CAG repeats. 42.4% of HD patients reported at least one psychiatric or cognitive symptom before motor symptoms, with depression most common. Each non-motor symptom was associated with significantly reduced total functional capacity scores. Conclusions Psychiatric and cognitive symptoms are common and functionally debilitating in HD gene carriers. They require recognition and targeting with clinical outcome measures and treatments. However, as it is impossible to distinguish confidently between non-motor symptoms arising from HD and primary psychiatric disorders, particularly in younger pre-manifest patients, non-motor symptoms should not be used to make a clinical diagnosis of HD.

Abstract Background Huntington’s disease is caused by an expanded CAG tract in HTT . The length of the CAG tract accounts for over half the variance in age at onset of disease, and is influenced by other genetic factors, mostly implicating the DNA maintenance machinery. We examined a single nucleotide variant, rs79727797, on chromosome 5 in the TCERG1 gene, previously reported to be associated with Huntington’s disease and a quasi-tandem repeat (QTR) hexamer in exon 4 of TCERG1 with a central pure repeat. Methods We developed a novel method for calling perfect and imperfect repeats from exome sequencing data, and tested association between the QTR in TCERG1 and residual age at motor onset (after correcting for the effects of CAG length in the HTT gene) in 610 individuals with Huntington’s disease via regression analysis. Results We found a significant association between age at onset and the sum of the repeat lengths from both alleles of the QTR (p = 2.1×10 −9 ), with each added repeat hexamer reducing age at onset by one year (95% confidence interval [0.7, 1.4]). This association explained that previously observed with rs79727797. Conclusions The association with age at onset in the genome-wide association study is due to a QTR hexamer in TCERG1 , translated to a glutamine/alanine tract in the protein. We could not distinguish whether this was due to cis-effects of the hexamer repeat on gene expression or of the encoded glutamine/alanine tract in the protein. These results motivate further study of the mechanisms by which TCERG1 modifies onset of HD.

Abstract Targeted DNA sequencing approaches will improve how the size of short tandem repeats is measured for diagnostic tests and pre-clinical studies. The expansion of these sequences causes dozens of disorders, with longer tracts generally leading to a more severe disease. Interrupted alleles are sometimes present within repeats and can alter disease manifestation. Determining repeat size mosaicism and identifying interruptions in targeted sequencing datasets remains a major challenge. This is in part because standard alignment tools are ill-suited for repetitive and unstable sequences. To address this, we have developed Repeat Detector (RD), a deterministic profile weighting algorithm for counting repeats in targeted sequencing data. We tested RD using blood-derived DNA samples from Huntington’s disease and Fuchs endothelial corneal dystrophy patients sequenced using either Illumina MiSeq or Pacific Biosciences single-molecule, real-time sequencing platforms. RD was highly accurate in determining repeat sizes of 609 blood-derived samples from Huntington’s disease individuals and did not require prior knowledge of the flanking sequences. Furthermore, RD can be used to identify alleles with interruptions and provide a measure of repeat instability within an individual. RD is therefore highly versatile and may find applications in the diagnosis of expanded repeat disorders and the development of novel therapies.

Abstract The Apolipoprotein-E4 allele (APOE) is the strongest genetic risk factor for sporadic Alzheimer’s disease but its role in disease pathogenesis is incompletely understood. The APOE gene encodes Apolipoprotein E (ApoE). Astrocytes are the main source of ApoE in the central nervous system (CNS) and are essential for homeostasis in health and disease. In response to CNS insult, a coordinated multicellular inflammatory response is triggered causing reactive astrogliosis with changes in astrocytic gene expression, cellular structure and function. Human embryonic stem-cells with the ‘neutral’ APOE33 genotype were edited using CRISPR Cas-9 gene-editing to create isogenic APOE lines with an APOE44 genotype. Quiescent astrocytes were differentiated then stimulated with TNF-α, IL1α and C1q inducing an astrogliotic A1 phenotype. Several potentially pathological APOE44 -related phenotypes were identified in both quiescent cells and reactive A1 astrocytes including significantly decreased phagocytosis, impaired glutamate and a defective immunomodulatory response. In quiescent APOE44 astrocytes there was significantly decreased secretion of IL6, IL8 and several oxylipins. In A1 astrocytes there was a pro-inflammatory phenotype in APOE44 astrocytes with increases in GRO, ENA78, IL6 and IL8, a decrease in IL10 as well as significant differences in oxylipin expression. As TNF-α induced signaling in astrocytes is driven by Nuclear factor kappa B (NF-κB) proteins of this pathway were measured. Significantly higher levels of the p50, p65 and IκBα sub-units were found in both quiescent and A1 APOE44 astrocytes. This suggests that perturbation of NF-κB signaling may contribute to the damaging APOE44 cell phenotypes observed providing a new direction for targeted disease therapeutics.