Genetic discoveries of Alzheimer's disease are the drivers of our understanding, and together with polygenetic risk stratification can contribute towards planning of feasible and efficient preventive and curative clinical trials. We first perform a large genetic association study by merging all available case-control datasets and by-proxy study results (discovery n = 409,435 and validation size n = 58,190). Here, we add six variants associated with Alzheimer's disease risk (near APP, CHRNE, PRKD3/NDUFAF7, PLCG2 and two exonic variants in the SHARPIN gene). Assessment of the polygenic risk score and stratifying by APOE reveal a 4 to 5.5 years difference in median age at onset of Alzheimer's disease patients in APOE ɛ4 carriers. Because of this study, the underlying mechanisms of APP can be studied to refine the amyloid cascade and the polygenic risk score provides a tool to select individuals at high risk of Alzheimer's disease.

ABSTRACT BACKGROUND Disentangling the genetic constellation underlying Alzheimer’s disease (AD) is important. Doing so allows us to identify biological pathways underlying AD, point towards novel drug targets and use the variants for individualised risk predictions in disease modifying or prevention trials. In the present work we report on the largest genome-wide association study (GWAS) for AD risk to date and show the combined utility of proven AD loci for precision medicine using polygenic risk scores (PRS). METHODS Three sets of summary statistics were included in our meta-GWAS of AD: an Spanish case-control study (GR@ACE/DEGESCO study, n = 12,386), the case-control study of International Genomics of Alzheimer project (IGAP, n = 82,771) and the UK Biobank (UKB) AD-by-proxy case-control study (n=314,278). Using these resources, we performed a fixed-effects inverse-variance-weighted meta-analysis. Detected loci were confirmed in a replication study of 19,089 AD cases and 39,101 controls from 16 European-ancestry cohorts not previously used. We constructed a weighted PRS based on the 39 AD variants. PRS were generated by multiplying the genotype dosage of each risk allele for each variant by its respective weight, and then summing across all variants. We first validated it for AD in independent data (assessing effects of sub-threshold signal, diagnostic certainty, age at onset and sex) and tested its effect on risk (odds for disease) and age at onset in the GR@ACE/DEGESCO study. FINDINGS Using our meta-GWAS approach and follow-up analysis, we identified novel genome-wide significant associations of six genetic variants with AD risk (rs72835061 -CHRNE , rs2154481 -APP , rs876461 -PRKD3/NDUFAF7 , rs3935877 -PLCG2 and two missense variants: rs34173062/rs34674752 in SHARPIN gene) and confirmed a stop codon mutation in the IL34 gene increasing the risk of AD ( IL34-Tyr213Ter ), and two other variants in PLCG2 and HS3ST1 regions. This brings the total number of genetic variants associated with AD to 39 (excluding APOE ). The PRS based on these variants was associated with AD in an independent clinical AD-case control dataset (OR=1.30, per 1-SD increase in the PRS, 95%CI 1.18-1.44, p = 1.1×10 −7 ), a similar effect to that in the GR@ACE/DEGESCO (OR=1.27, 95%CI 1.23-1.32, p = 7.4×10 −39 ). We then explored the combined effects of these 39 variants in a PRS for AD risk and age-at-onset stratification in GR@ACE/DEGESCO. Excluding APOE , we observed a gradual risk increase over the 2% tiles; when comparing the extremes, those with the 2% highest risk had a 2.98-fold (95% CI 2.12–4.18, p = 3.2×10 −10 ) increased risk compared to those with the 2% lowest risk ( p = 5.9×10 −10 ). Using the PRS we identified APOE ε33 carriers with a similar risk as APOE ε 4 heterozygotes carriers, as well as APOE ε4 heterozygote carriers with a similar risk as APOE ε 4 homozygote. Considering age at onset; there was a 9-year difference between median onset of AD the lowest risk group and the highest risk group (82 vs 73 years; p = 1.6×10 −6 ); a 4-year median onset difference (81 vs 77 years; p = 6.9×10 −5 ) within APOE ε4 heterozygotes and a 5.5-year median onset difference (78.5 vs 73 years; p = 4.6×10 −5 ) within APOE ε4 carriers. INTERPRETATION We identified six novel genetic variants associated with AD-risk, among which one common APP variant. A PRS of all genetic loci reported to date could be a robust tool to predict the risk and age at onset of AD, beyond APOE alone. These properties make PRS instrumental in selecting individuals at risk in order to apply preventative strategies and might have potential use in diagnostic work-up.

Abstract Background Previous studies have suggested that the association between APOE ɛ 4 and dementia is moderated by physical activity (PA), but the results remain inconclusive and longitudinal data on cognitive decline are missing. In this study, we examine whether there is a gene–environment interaction between APOE and PA on cognitive decline in older adults using 9-year follow-up data of three cohort studies. Methods We followed 7,176 participants from three longitudinal cohort studies: Longitudinal Aging Study Amsterdam (LASA), InCHIANTI, and Rotterdam Study for 9 years. PA was assessed with self-reported questionnaires and was categorized in low, moderate, and high PA. Cognitive function was assessed with the Mini-Mental State Examination (MMSE) and cognitive decline was defined as a decrease of three points or more on the MMSE during 3 years follow-up. We fitted logistic regression models using generalized estimating equations adjusting for age, sex, education, depressive symptoms, and number of chronic disease. Interaction between APOE and PA was tested on multiplicative and additive scale. Results Cohorts were similar in most aspects but InCHIANTI participants were on average older and had lower education. APOE ɛ 4 carriers had higher odds of cognitive decline (odds ratio [OR] = 1.46, 95% confidence interval [CI]: 1.29–1.64) while PA was not significantly associated with cognitive decline overall (moderate PA: OR = 0.87, 0.67–1.13; high PA: OR = 0.71, 0.36–1.40). There was no evidence for an interaction effect between PA and APOE ɛ 4 in cognitive decline in older adults (APOE × moderate PA: p = .83; APOE × high PA: p = .90). Conclusions Previous claims of a gene–environment interaction between APOE ɛ 4 and PA in cognitive decline are not supported by our results.

The detection of genetic loci associated with Alzheimer's disease (AD) requires large numbers of cases and controls because variant effect-sizes are mostly small. We hypothesized that variant effect-sizes should increase when individuals who represent the extreme ends of a disease spectrum are considered, as their genomes are assumed to be maximally enriched or depleted with disease-associated genetic variants. We used 1,073 extensively phenotyped AD cases with relatively young age at onset as extreme cases (66.3±7.9 years), 1,664 age-matched controls (66.0±6.5 years) and 255 cognitively healthy centenarians as extreme controls (101.4±1.3 years). We estimated the effect-size of 29 variants that were previously associated with AD in genome-wide association studies. Comparing extreme AD-cases with centenarian-controls increased the variant effect-size relative to published effect-sizes by on average 1.90-fold (SE=0.29, p=9.0x10-4). The effect-size increase was largest for the rare high-impact TREM2 (R74H) variant (6.5-fold), and significant for variants in/near ECHDC3 (4.6-fold), SLC24A4-RIN3 (4.5-fold), NME8 (3.8-fold), PLCG2 (3.3-fold), APOE-ε2 (2.2-fold) and APOE-ε4 (2.0-fold). Comparing extreme phenotypes enabled us to replicate the AD association for 10 variants (p<0.05) in relatively small samples. The increase in effect-sizes depended mainly on using centenarians as extreme controls: the average variant effect-size was not increased in a comparison of extreme AD cases and age-matched controls (0.94-fold, p=6.8x10-1), suggesting that on average the tested genetic variants did not explain the extremity of the AD-cases. Concluding, using centenarians as extreme controls in AD case-controls studies boosts the variant effect-size by on average two-fold, allowing the replication of disease-association in relatively small samples.