Despite high heritability, autism is genetically very heterogeneous. This raises the question of whether there are many different pathologies presenting as autistic spectrum disorder (ASD), or whether the myriad genetic causes converge on a few biological pathways affected in most individuals, which could be therapeutically targeted. A study using transcriptome and gene co-expression network analysis suggests that the latter, convergent model is the case. The gene expression patterns that typically distinguish frontal and temporal cortex are much less pronounced in the ASD brain, and specific splicing abnormalities and modules of co-expressed genes associated with autism are enriched for previously identified genetic association signals. This points to transcriptional and splicing dysregulation as underlying mechanisms of neuronal dysfunction in this disorder. Autism spectrum disorder (ASD) is a common, highly heritable neurodevelopmental condition characterized by marked genetic heterogeneity1,2,3. Thus, a fundamental question is whether autism represents an aetiologically heterogeneous disorder in which the myriad genetic or environmental risk factors perturb common underlying molecular pathways in the brain4. Here, we demonstrate consistent differences in transcriptome organization between autistic and normal brain by gene co-expression network analysis. Remarkably, regional patterns of gene expression that typically distinguish frontal and temporal cortex are significantly attenuated in the ASD brain, suggesting abnormalities in cortical patterning. We further identify discrete modules of co-expressed genes associated with autism: a neuronal module enriched for known autism susceptibility genes, including the neuronal specific splicing factor A2BP1 (also known as FOX1), and a module enriched for immune genes and glial markers. Using high-throughput RNA sequencing we demonstrate dysregulated splicing of A2BP1-dependent alternative exons in the ASD brain. Moreover, using a published autism genome-wide association study (GWAS) data set, we show that the neuronal module is enriched for genetically associated variants, providing independent support for the causal involvement of these genes in autism. In contrast, the immune-glial module showed no enrichment for autism GWAS signals, indicating a non-genetic aetiology for this process. Collectively, our results provide strong evidence for convergent molecular abnormalities in ASD, and implicate transcriptional and splicing dysregulation as underlying mechanisms of neuronal dysfunction in this disorder.

Analysis of de novo CNVs (dnCNVs) from the full Simons Simplex Collection (SSC) (N = 2,591 families) replicates prior findings of strong association with autism spectrum disorders (ASDs) and confirms six risk loci (1q21.1, 3q29, 7q11.23, 16p11.2, 15q11.2-13, and 22q11.2). The addition of published CNV data from the Autism Genome Project (AGP) and exome sequencing data from the SSC and the Autism Sequencing Consortium (ASC) shows that genes within small de novo deletions, but not within large dnCNVs, significantly overlap the high-effect risk genes identified by sequencing. Alternatively, large dnCNVs are found likely to contain multiple modest-effect risk genes. Overall, we find strong evidence that de novo mutations are associated with ASD apart from the risk for intellectual disability. Extending the transmission and de novo association test (TADA) to include small de novo deletions reveals 71 ASD risk loci, including 6 CNV regions (noted above) and 65 risk genes (FDR ≤ 0.1).

We have undertaken a genome-wide analysis of rare copy-number variation (CNV) in 1124 autism spectrum disorder (ASD) families, each comprised of a single proband, unaffected parents, and, in most kindreds, an unaffected sibling. We find significant association of ASD with de novo duplications of 7q11.23, where the reciprocal deletion causes Williams-Beuren syndrome, characterized by a highly social personality. We identify rare recurrent de novo CNVs at five additional regions, including 16p13.2 (encompassing genes USP7 and C16orf72) and Cadherin 13, and implement a rigorous approach to evaluating the statistical significance of these observations. Overall, large de novo CNVs, particularly those encompassing multiple genes, confer substantial risks (OR = 5.6; CI = 2.6–12.0, p = 2.4 × 10-7). We estimate there are 130–234 ASD-related CNV regions in the human genome and present compelling evidence, based on cumulative data, for association of rare de novo events at 7q11.23, 15q11.2-13.1, 16p11.2, and Neurexin 1.

Genetic studies have identified dozens of autism spectrum disorder (ASD) susceptibility genes, raising two critical questions: (1) do these genetic loci converge on specific biological processes, and (2) where does the phenotypic specificity of ASD arise, given its genetic overlap with intellectual disability (ID)? To address this, we mapped ASD and ID risk genes onto coexpression networks representing developmental trajectories and transcriptional profiles representing fetal and adult cortical laminae. ASD genes tightly coalesce in modules that implicate distinct biological functions during human cortical development, including early transcriptional regulation and synaptic development. Bioinformatic analyses suggest that translational regulation by FMRP and transcriptional coregulation by common transcription factors connect these processes. At a circuit level, ASD genes are enriched in superficial cortical layers and glutamatergic projection neurons. Furthermore, we show that the patterns of ASD and ID risk genes are distinct, providing a biological framework for further investigating the pathophysiology of ASD.

Rare copy-number variation (CNV) is an important source of risk for autism spectrum disorders (ASDs). We analyzed 2,446 ASD-affected families and confirmed an excess of genic deletions and duplications in affected versus control groups (1.41-fold, p = 1.0 × 10−5) and an increase in affected subjects carrying exonic pathogenic CNVs overlapping known loci associated with dominant or X-linked ASD and intellectual disability (odds ratio = 12.62, p = 2.7 × 10−15, ∼3% of ASD subjects). Pathogenic CNVs, often showing variable expressivity, included rare de novo and inherited events at 36 loci, implicating ASD-associated genes (CHD2, HDAC4, and GDI1) previously linked to other neurodevelopmental disorders, as well as other genes such as SETD5, MIR137, and HDAC9. Consistent with hypothesized gender-specific modulators, females with ASD were more likely to have highly penetrant CNVs (p = 0.017) and were also overrepresented among subjects with fragile X syndrome protein targets (p = 0.02). Genes affected by de novo CNVs and/or loss-of-function single-nucleotide variants converged on networks related to neuronal signaling and development, synapse function, and chromatin regulation. Rare copy-number variation (CNV) is an important source of risk for autism spectrum disorders (ASDs). We analyzed 2,446 ASD-affected families and confirmed an excess of genic deletions and duplications in affected versus control groups (1.41-fold, p = 1.0 × 10−5) and an increase in affected subjects carrying exonic pathogenic CNVs overlapping known loci associated with dominant or X-linked ASD and intellectual disability (odds ratio = 12.62, p = 2.7 × 10−15, ∼3% of ASD subjects). Pathogenic CNVs, often showing variable expressivity, included rare de novo and inherited events at 36 loci, implicating ASD-associated genes (CHD2, HDAC4, and GDI1) previously linked to other neurodevelopmental disorders, as well as other genes such as SETD5, MIR137, and HDAC9. Consistent with hypothesized gender-specific modulators, females with ASD were more likely to have highly penetrant CNVs (p = 0.017) and were also overrepresented among subjects with fragile X syndrome protein targets (p = 0.02). Genes affected by de novo CNVs and/or loss-of-function single-nucleotide variants converged on networks related to neuronal signaling and development, synapse function, and chromatin regulation.

Autism spectrum disorder (ASD) involves substantial genetic contributions. These contributions are profoundly heterogeneous but may converge on common pathways that are not yet well understood. Here, through post-mortem genome-wide transcriptome analysis of the largest cohort of samples analysed so far, to our knowledge, we interrogate the noncoding transcriptome, alternative splicing, and upstream molecular regulators to broaden our understanding of molecular convergence in ASD. Our analysis reveals ASD-associated dysregulation of primate-specific long noncoding RNAs (lncRNAs), downregulation of the alternative splicing of activity-dependent neuron-specific exons, and attenuation of normal differences in gene expression between the frontal and temporal lobes. Our data suggest that SOX5, a transcription factor involved in neuron fate specification, contributes to this reduction in regional differences. We further demonstrate that a genetically defined subtype of ASD, chromosome 15q11.2-13.1 duplication syndrome (dup15q), shares the core transcriptomic signature observed in idiopathic ASD. Co-expression network analysis reveals that individuals with ASD show age-related changes in the trajectory of microglial and synaptic function over the first two decades, and suggests that genetic risk for ASD may influence changes in regional cortical gene expression. Our findings illustrate how diverse genetic perturbations can lead to phenotypic convergence at multiple biological levels in a complex neuropsychiatric disorder.

Significance Prions are proteins that assume alternate shapes that become self-propagating, and while some prions perform normal physiological functions, others cause disease. Prions were discovered while studying the cause of rare neurodegenerative diseases of animals and humans called scrapie and Creutzfeldt–Jakob disease, respectively. We report here the discovery of α-synuclein prions that cause a more common neurodegenerative disease in humans called multiple system atrophy (MSA). In contrast to MSA, brain extracts from Parkinson’s disease (PD) patients were not transmissible to genetically engineered cells or mice, although much evidence argues that PD is also caused by α-synuclein, suggesting that this strain (or variant) is different from those that cause MSA.

We present GERMLINE, a robust algorithm for identifying segmental sharing indicative of recent common ancestry between pairs of individuals. Unlike methods with comparable objectives, GERMLINE scales linearly with the number of samples, enabling analysis of whole-genome data in large cohorts. Our approach is based on a dictionary of haplotypes that is used to efficiently discover short exact matches between individuals. We then expand these matches using dynamic programming to identify long, nearly identical segmental sharing that is indicative of relatedness. We use GERMLINE to comprehensively survey hidden relatedness both in the HapMap as well as in a densely typed island population of 3000 individuals. We verify that GERMLINE is in concordance with other methods when they can process the data, and also facilitates analysis of larger scale studies. We bolster these results by demonstrating novel applications of precise analysis of hidden relatedness for (1) identification and resolution of phasing errors and (2) exposing polymorphic deletions that are otherwise challenging to detect. This finding is supported by concordance of detected deletions with other evidence from independent databases and statistical analyses of fluorescence intensity not used by GERMLINE.

We performed RNA sequencing on 40,000 cells to create a high-resolution single-cell gene expression atlas of developing human cortex, providing the first single-cell characterization of previously uncharacterized cell types, including human subplate neurons, comparisons with bulk tissue, and systematic analyses of technical factors. These data permit deconvolution of regulatory networks connecting regulatory elements and transcriptional drivers to single-cell gene expression programs, significantly extending our understanding of human neurogenesis, cortical evolution, and the cellular basis of neuropsychiatric disease. We tie cell-cycle progression with early cell fate decisions during neurogenesis, demonstrating that differentiation occurs on a transcriptomic continuum; rather than only expressing a few transcription factors that drive cell fates, differentiating cells express broad, mixed cell-type transcriptomes before telophase. By mapping neuropsychiatric disease genes to cell types, we implicate dysregulation of specific cell types in ASD, ID, and epilepsy. We developed CoDEx, an online portal to facilitate data access and browsing.

Autism spectrum disorders (ASD) are early onset neurodevelopmental syndromes typified by impairments in reciprocal social interaction and communication, accompanied by restricted and repetitive behaviors. While rare and especially de novo genetic variation are known to affect liability, whether common genetic polymorphism plays a substantial role is an open question and the relative contribution of genes and environment is contentious. It is probable that the relative contributions of rare and common variation, as well as environment, differs between ASD families having only a single affected individual (simplex) versus multiplex families who have two or more affected individuals.By using quantitative genetics techniques and the contrast of ASD subjects to controls, we estimate what portion of liability can be explained by additive genetic effects, known as narrow-sense heritability. We evaluate relatives of ASD subjects using the same methods to evaluate the assumptions of the additive model and partition families by simplex/multiplex status to determine how heritability changes with status.By analyzing common variation throughout the genome, we show that common genetic polymorphism exerts substantial additive genetic effects on ASD liability and that simplex/multiplex family status has an impact on the identified composition of that risk. As a fraction of the total variation in liability, the estimated narrow-sense heritability exceeds 60% for ASD individuals from multiplex families and is approximately 40% for simplex families. By analyzing parents, unaffected siblings and alleles not transmitted from parents to their affected children, we conclude that the data for simplex ASD families follow the expectation for additive models closely. The data from multiplex families deviate somewhat from an additive model, possibly due to parental assortative mating.Our results, when viewed in the context of results from genome-wide association studies, demonstrate that a myriad of common variants of very small effect impacts ASD liability.