Subcortical dopamine D2 receptor (DRD2) signaling is implicated in cognitive processes and brain disorders, but the effect of DRD2 variants remains ambiguous. We measured allelic mRNA expression in postmortem human striatum and prefrontal cortex and then performed single nucleotide polymorphism (SNP) scans of the DRD2 locus. A previously uncharacterized promoter SNP (rs12364283) located in a conserved suppressor region was associated with enhanced DRD2 expression, whereas previously studied DRD2 variants failed to affect expression. Moreover, two frequent intronic SNPs (rs2283265 and rs1076560) decreased expression of DRD2 short splice variant (expressed mainly presynaptically) relative to DRD2 long (postsynaptic), a finding reproduced in vitro by using minigene constructs. Being in strong linkage disequilibrium with each other, both intronic SNPs (but not rs12364283) were also associated with greater activity of striatum and prefrontal cortex measured with fMRI during working memory and with reduced performance in working memory and attentional control tasks in healthy humans. Our results identify regulatory DRD2 polymorphisms that modify mRNA expression and splicing and working memory pathways.

Abstract Genome-Wide-Association studies have involved miR-137 in schizophrenia. However, the biology underlying this statistical evidence is unclear. Statistical polygenic risk for schizophrenia is associated with working memory, while other biological evidence involves miR-137 in emotion processing. We investigated the function of miR-137 target schizophrenia risk genes in humans. We identified a prefrontal co-expression pathway of schizophrenia-associated miR-137 targets and validated the association with miR-137 expression in neuroblastoma cells. Alleles predicting greater co-expression of this pathway were associated with greater prefrontal activation during emotion processing in two independent cohorts of healthy volunteers (N 1 =222; N 2 =136). Statistical polygenic risk for schizophrenia was instead associated with prefrontal activation during working memory. A co-expression pathway links miR-137 and its target genes to emotion processing and risk for schizophrenia. Low prefrontal miR-137 expression may be related with SCZ risk via increased expression of target risk genes, itself associated with increased prefrontal activation during emotion processing.

Gene co-expression networks are relevant to functional and clinical translation of schizophrenia (SCZ) risk genes. We hypothesized that SCZ risk genes may converge into co-expression pathways which may be associated with gene regulation mechanisms and with response to treatment in patients with SCZ. We identified gene co-expression networks in two prefrontal cortex post-mortem RNA sequencing datasets (total N=688) and replicated them in four more datasets (total N=227). We identified and replicated (all p-values<.001) a single module enriched for SCZ risk loci (13 risk genes in 10 loci). In silico screening of potential regulators of the SCZ risk module via bioinformatic analyses identified two transcription factors and three miRNAs associated with the risk module. To translate post-mortem information into clinical phenotypes, we identified polymorphisms predicting co-expression and combined them to obtain an index approximating module co-expression (Polygenic Co-expression Index: PCI). The PCI-co-expression association was successfully replicated in two independent brain transcriptome datasets (total N=131; all p-values<.05). Finally, we tested the association between the PCI and short-term treatment response in two independent samples of patients with SCZ treated with olanzapine (total N=167). The PCI was associated with treatment response in the positive symptom domain in both clinical cohorts (all p-values<.05). In summary, our findings in a large sample of human post-mortem prefrontal cortex show that co-expression of a set of genes enriched for schizophrenia risk genes is relevant to treatment response. This co-expression pathway may be co-regulated by transcription factors and miRNA associated with it.

Schizophrenia is a severe psychiatric disorder, associated with a reduction in life expectancy of 15-20 years. Available treatments are at least partially effective in most affected individuals, and personal resources such as resilience (successful adaptation despite adversity) and coping abilities (strategies used to deal with stressful or threatening situations), are important determinants of disease outcomes and long-term sustained recovery. Published findings support the existence of a genetic background underlying resilience and coping, with variable heritability estimates. However, genome-wide analyses concerning the genetic determinants of these personal resources, especially in the context of schizophrenia, are lacking. Here, we performed a genome-wide association study coupled with accessory analyses to investigate potential genetic determinants of resilience, coping and self-esteem in 490 schizophrenia patients. Results revealed a complex genetic background partly overlapping with that of neuroticism, worry and schizophrenia itself and support the importance of social aspects in shapingthese psychological constructs. Hippocampal neurogenesis and lipid metabolism appear to be potentially relevant biological underpinnings, and specific miRNAs such as miR-124 and miR-137 may warrant further studies as potential biomarkers. In conclusion, this study represents an important first step in the identification of genetic and biological correlates shaping resilience, coping resources and self-esteem in schizophrenia.

Schizophrenia (SCZ) is characterized by a polygenic risk architecture implicating diverse molecular pathways important for synaptic function. However, how polygenic risk funnels through these pathways to translate into syndromic illness is unanswered. To evaluate biologically meaningful pathways of risk, we used tensor decomposition to characterize gene co-expression in post-mortem brain (of neurotypicals: N=154; patients with SCZ: N=84; and GTEX samples N=120) from caudate nucleus (CN), hippocampus (HP), and dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). We identified a CN-predominant gene set showing dopaminergic selectivity that was enriched for genes associated with clinical state and for genes associated with SCZ risk. Parsing polygenic risk score for SCZ based on this specific gene set (parsed-PRS), we found that greater pathway-specific SCZ risk predicted greater in vivo striatal dopamine synthesis capacity measured by [ 18 F]-FDOPA PET in three independent cohorts of neurotypicals and patients (total N=235) and greater fMRI striatal activation during reward anticipation in two additional independent neurotypical cohorts (total N=141). These results reveal a 'bench to bedside' translation of dopamine-linked genetic risk variation in driving in vivo striatal neurochemical and hemodynamic phenotypes that have long been implicated in the pathophysiology of SCZ.

Sensitivity to external demands is essential for adaptation to dynamic environments, but comes at the cost of increased risk of adverse outcomes when facing poor environmental conditions. Here, we apply a novel methodology to perform genome-wide association analysis of mean and variance in nine key brain features (accumbens, amygdala, caudate, hippocampus, pallidum, putamen, thalamus, intracranial volume and cortical thickness), integrating genetic and neuroanatomical data from a large lifespan sample (n=25,575 individuals; 8 to 89 years, mean age 51.9 years). We identify genetic loci associated with phenotypic variability in cortical thickness, thalamus, pallidum, and intracranial volumes. The variance-controlling loci included genes with a documented role in brain and mental health and were not associated with the mean anatomical volumes. This proof-of-principle of the hypothesis of a genetic regulation of brain volume variability contributes to establishing the genetic basis of phenotypic variance (i.e., heritability), allows identifying different degrees of brain robustness across individuals, and opens new research avenues in the search for mechanisms controlling brain and mental health.