Abstract Alzheimer Disease (AD) is the most common form of dementia. This neurodegenerative disorder is associated with neuronal death and gliosis heavily impacting the cerebral cortex. AD has a substantial but heterogeneous genetic component, presenting both Mendelian and complex genetic architectures. Using bulk RNA-seq from parietal lobes and deconvolution methods, we previously reported that brains exhibiting different AD genetic architecture exhibit different cellular proportions. Here, we sought to directly investigate AD brain changes in cell proportion and gene expression using single cell resolution. To do so, we generated unsorted single-nuclei RNA-sequencing data from brain tissue. We leveraged tissue donated from a carrier of a Mendelian genetic mutation and two family members who suffer from AD, but do not have the same mutation. We evaluated alternative alignment approaches to maximize the titer of reads, genes and cells with high quality. In addition, we employed distinct clustering strategies to determine the best approach to identify cell clusters that reveal neuronal and glial cell types and avoid artifacts such as sample and batch effects. We propose an approach to cluster cells that reduces biases and enable further analyses. We identified distinct types of neurons, both excitatory and inhibitory, and glial cells, including astrocytes, oligodendrocytes, and microglia among others. In particular, we identified a reduced proportion of excitatory neurons in the Mendelian mutation carrier, but a similar distribution of inhibitory neurons. Furthermore, we investigated whether single-nuclei RNA-seq from human brains recapitulate the expression profile of Disease Associated Microglia (DAM) discovered in mouse models. We also determined that when analyzing human single-nuclei data it is critical to control for biases introduced by donor specific expression profiles. In conclusion, we propose a collection of best practices to generate a highly-detailed molecular cell atlas of highly informative frozen tissue stored in brain banks. Importantly, we have developed a new web application to make this unique single-nuclei molecular atlas publicly available.

Long runs of homozygosity (ROH) are contiguous stretches of homozygous genotypes, which are a footprint of inbreeding and recessive inheritance. The presence of recessive loci is suggested for Alzheimer's disease (AD); however, their search has been poorly assessed to date. To investigate homozygosity in AD, here we performed a fine-scale ROH analysis using 10 independent cohorts of European ancestry (11,919 AD cases and 9181 controls.) We detected an increase of homozygosity in AD cases compared to controls [βAVROH (CI 95%) = 0.070 (0.037-0.104); P = 3.91 × 10-5; βFROH (CI95%) = 0.043 (0.009-0.076); P = 0.013]. ROHs increasing the risk of AD (OR > 1) were significantly overrepresented compared to ROHs increasing protection (p < 2.20 × 10-16). A significant ROH association with AD risk was detected upstream the HS3ST1 locus (chr4:11,189,482‒11,305,456), (β (CI 95%) = 1.09 (0.48 ‒ 1.48), p value = 9.03 × 10-4), previously related to AD. Next, to search for recessive candidate variants in ROHs, we constructed a homozygosity map of inbred AD cases extracted from an outbred population and explored ROH regions in whole-exome sequencing data (N = 1449). We detected a candidate marker, rs117458494, mapped in the SPON1 locus, which has been previously associated with amyloid metabolism. Here, we provide a research framework to look for recessive variants in AD using outbred populations. Our results showed that AD cases have enriched homozygosity, suggesting that recessive effects may explain a proportion of AD heritability.

Abstract A genome-wide survival analysis of 14,406 Alzheimer’s disease (AD) cases and 25,849 controls identified eight previously reported AD risk loci and fourteen novel loci associated with age at onset. LD score regression of 220 cell types implicated regulation of myeloid gene expression in AD risk. In particular, the minor allele of rs1057233 (G), within the previously reported CELF1 AD risk locus, showed association with delayed AD onset and lower expression of SPI1 in monocytes and macrophages. SPI1 encodes PU.1, a transcription factor critical for myeloid cell development and function. AD heritability is enriched within the PU.1 cistrome, implicating a myeloid PU.1 target gene network in AD. Finally, experimentally altered PU.1 levels affect the expression of mouse orthologs of many AD risk genes and the phagocytic activity of mouse microglial cells. Our results suggest that lower SPI1 expression reduces AD risk by regulating myeloid gene expression and cell function.

ABSTRACT Long runs of homozygosity (ROH) are contiguous stretches of homozygous genotypes, which are a footprint of recent inbreeding and recessive inheritance. The presence of recessive loci is suggested for Alzheimer’s disease (AD). However, the search for recessive variants has been poorly assessed to date. To investigate homozygosity in AD, we performed a fine-scale ROH analysis including 21,100 individuals from 10 cohorts of European ancestry (11,919 AD cases and 9,181 controls). We detected an increase of homozygosity in AD cases compared to controls [β FROH (CI95%) = 0.051 (0.023 – 0.078); P = 3.25 x 10 -4 ]. ROHs increasing the risk of AD (OR > 1) were significantly overrepresented compared to ROHs increasing protection (p < 2.20 x 10 -16 ). The top associated ROH with AD risk (β (CI95%) = 1.09 (0.48 ‒ 1.48), p value = 9.03 x 10 -4 ) was detected upstream the HS3ST1 locus (chr4:11,189,482‒11,305,456), previously related to AD. Next, to construct a homozygosity map of AD cases, we selected ROHs shared by inbred AD cases extracted from an outbred population. We used whole-exome sequencing data from 1,449 individuals from the Knight-ADRC-NIA-LOAD (KANL) cohort to identify potential recessive variants in candidate ROHs. We detected a candidate marker, rs117458494, mapped in the SPON1 locus, which has been previously associated with amyloid metabolism. Here, we provide a research framework to look for recessive variants in AD using outbred populations. Our results showed that AD cases have enriched homozygosity, suggesting that recessive effects may explain a proportion of AD heritability.

Gene-based tests to study the combined effect of rare variants towards a particular phenotype have been widely developed for case-control studies, but their evolution and adaptation for family-based studies, especially for complex incomplete families, has been slower. In this study, we have performed a practical examination of all the latest gene-based methods available for family-based study designs using both simulated and real datasets. We have examined the performance of several collapsing, variance-component and transmission disequilibrium tests across eight different software and twenty-two models utilizing a cohort of 285 families (N=1,235) with late-onset Alzheimer disease (LOAD). After a thorough examination of each of these tests, we propose a methodological approach to identify, with high confidence, genes associated with the studied phenotype with high confidence and we provide recommendations to select the best software and model for family-based gene-based analyses. Additionally, in our dataset, we identified PTK2B, a GWAS candidate gene for sporadic AD, along with six novel genes (CHRD, CLCN2, HDLBP, CPAMD8, NLRP9, MAS1L) as candidates genes for familial LOAD.

Soluble triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (sTREM2) levels in the cerebrospinal fluid (CSF) have been associated with Alzheimer disease (AD) status. TREM2 plays a critical role in microglial activation, survival, and phagocytosis; however, the pathophysiological role of sTREM2 in AD is not well understood. Understanding the role of sTREM2 in AD may help reveal biological mechanisms underlying AD and identify novel therapeutic targets. We performed a genome-wide association study (GWAS) to identify genetic modifiers of CSF sTREM2 levels. Common variants in the membrane-spanning 4-domains subfamily A (MS4A) gene region were associated with higher CSF sTREM2 levels (rs1582763; P = 1.15e-15) and replicated in independent datasets. The variants associated with increased levels of sTREM2 are also associated with reduced AD risk and delayed age-at-onset. Rs1582763 influences expression of MS4A4A and MS4A6A in multiple tissues, suggesting that one or both of these genes are important for regulating sTREM2. MS4A genes encode transmembrane proteins that may play a role in intracellular protein trafficking in microglia. We used human macrophages to begin to test the relationship between MS4A4A and TREM2 and found that they co-localize intracellularly and that antibody-mediated targeting of MS4A4A reduces sTREM2. Thus, genetic, molecular, and cellular findings suggest that MS4A4A regulates sTREM2. These findings also provide a mechanistic explanation of the original GWAS signal in the MS4A locus for AD risk and indicate that TREM2 is involved in sporadic AD risk in general, not only in TREM2 risk-variant carriers.

Background: In previous studies, we observed decreased neuronal and increased astrocyte proportions in AD cases in parietal brain cortex by using a deconvolution method for bulk RNA-seq. These findings suggested that genetic risk factors associated with AD etiology have a specific effect in the cellular composition of AD brains. The goal of this study is to investigate if there are genetic determinants for brain cell compositions. Methods: Using cell type composition inferred from transcriptome as a disease status proxy, we performed cell type association analysis to identify novel loci related to cellular population changes in disease cohort. We imputed and merged genotyping data from seven studies in total of 1,669 samples and derived major CNS cell type proportions from cortical RNAseq data. We also inferred RNA transcript integrity number (TIN) to account for RNA quality variances. The model we performed in the analysis was: normalized neuronal proportion ~ SNP + Age + Gender + PC1 + PC2 + median TIN. Results: A variant rs1990621 located in the TMEM106B gene region was significantly associated with neuronal proportion (p=6.40x10-07) and replicated in an independent dataset. The association became more significant as we combined both discovery and replication datasets in multi-tissue meta-analysis (p=9.42x10-09) and joint analysis (p=7.66x10-10). This variant is in high LD with rs1990622 (r2 = 0.98) which was previously identified as a protective variant in FTD cohorts. Further analyses indicated that this variant is associated with increased neuronal proportion in participants with neurodegenerative disorders, not only in AD cohort but also in cognitive normal elderly cohort. However, this effect was not observed in a younger schizophrenia cohort with a mean age of death < 65. The second most significant loci for neuron proportion was APOE, which suggested that using neuronal proportion as an informative endophenotype could help identify loci associated with neurodegeneration. Conclusion: This result suggested a common pathway involving TMEM106B shared by aging groups in the present or absence of neurodegenerative pathology may contribute to cognitive preservation and neuronal protection.