Individual risk markers for depression and anxiety disorders have been identified but the explicit pathways that link genes and environment to these markers remain unknown. Here we examined the explicit interactions between the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) Val66Met gene and early life stress (ELS) exposure in brain (amygdala–hippocampal–prefrontal gray matter volume), body (heart rate), temperament and cognition in 374 healthy European volunteers assessed for depression and anxiety symptoms. Brain imaging data were based on a subset of 89 participants. Multiple regression analysis revealed main effects of ELS for body arousal (resting heart rate, P=0.005) and symptoms (depression and anxiety, P<0.001) in the absence of main effects for BDNF. In addition, significant BDNF–ELS interactions indicated that BDNF Met carriers exposed to greater ELS have smaller hippocampal and amygdala volumes (P=0.013), heart rate elevations (P=0.0002) and a decline in working memory (P=0.022). Structural equation path modeling was used to determine if this interaction predicts anxiety and depression by mediating effects on the brain, body and cognitive measures. The combination of Met carrier status and exposure to ELS predicted reduced gray matter in hippocampus (P<0.001), and associated lateral prefrontal cortex (P<0.001) and, in turn, higher depression (P=0.005). Higher depression was associated with poorer working memory (P=0.005), and slowed response speed. The BDNF Met–ELS interaction also predicted elevated neuroticism and higher depression and anxiety by elevations in body arousal (P<0.001). In contrast, the combination of BDNF V/V genotype and ELS predicted increases in gray matter of the amygdala (P=0.003) and associated medial prefrontal cortex (P<0.001), which in turn predicted startle-elicited heart rate variability (P=0.026) and higher anxiety (P=0.026). Higher anxiety was linked to verbal memory, and to impulsivity. These effects were specific to the BDNF gene and were not evident for the related 5HTT-LPR polymorphism. Overall, these findings are consistent with the correlation of depression and anxiety, yet suggest that partially differentiated gene–brain cognition pathways to these syndromes can be identified, even in a nonclinical sample. Such findings may aid establishing an evidence base for more tailored intervention strategies.

BackgroundFrontotemporal dementia (FTD) is a complex disorder characterised by a broad range of clinical manifestations, differential pathological signatures, and genetic variability. Mutations in three genes—MAPT, GRN, and C9orf72—have been associated with FTD. We sought to identify novel genetic risk loci associated with the disorder.MethodsWe did a two-stage genome-wide association study on clinical FTD, analysing samples from 3526 patients with FTD and 9402 healthy controls. To reduce genetic heterogeneity, all participants were of European ancestry. In the discovery phase (samples from 2154 patients with FTD and 4308 controls), we did separate association analyses for each FTD subtype (behavioural variant FTD, semantic dementia, progressive non-fluent aphasia, and FTD overlapping with motor neuron disease [FTD-MND]), followed by a meta-analysis of the entire dataset. We carried forward replication of the novel suggestive loci in an independent sample series (samples from 1372 patients and 5094 controls) and then did joint phase and brain expression and methylation quantitative trait loci analyses for the associated (p<5 × 10−8) single-nucleotide polymorphisms.FindingsWe identified novel associations exceeding the genome-wide significance threshold (p<5 × 10−8). Combined (joint) analyses of discovery and replication phases showed genome-wide significant association at 6p21.3, HLA locus (immune system), for rs9268877 (p=1·05 × 10−8; odds ratio=1·204 [95% CI 1·11–1·30]), rs9268856 (p=5·51 × 10−9; 0·809 [0·76–0·86]) and rs1980493 (p value=1·57 × 10−8, 0·775 [0·69–0·86]) in the entire cohort. We also identified a potential novel locus at 11q14, encompassing RAB38/CTSC (the transcripts of which are related to lysosomal biology), for the behavioural FTD subtype for which joint analyses showed suggestive association for rs302668 (p=2·44 × 10−7; 0·814 [0·71–0·92]). Analysis of expression and methylation quantitative trait loci data suggested that these loci might affect expression and methylation in cis.InterpretationOur findings suggest that immune system processes (link to 6p21.3) and possibly lysosomal and autophagy pathways (link to 11q14) are potentially involved in FTD. Our findings need to be replicated to better define the association of the newly identified loci with disease and to shed light on the pathomechanisms contributing to FTD.FundingThe National Institute of Neurological Disorders and Stroke and National Institute on Aging, the Wellcome/MRC Centre on Parkinson's disease, Alzheimer's Research UK, and Texas Tech University Health Sciences Center.

Abstract Background Identified genetic mutations cause 20% of frontotemporal dementia (FTD) and 5-10% of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) cases: however, for the remainder of patients the origin of the disease is uncertain. The overlap in genetic, clinical and pathological presentation of FTD and ALS suggests these two diseases are related. Post-mortem, 97% of ALS and ∼50% of FTD patients show redistribution of the nuclear proteins TDP-43 or FUS to the cytoplasm within affected neurons. We exploited this predominant neuropathological feature to develop an automated method for the quantification of cytoplasmic TDP-43 and FUS in human cell lines. Results Utilising fluorescently-tagged cDNA constructs to identify cells of interest, the fluorescence intensity of TDP-43 or FUS was measured in the nucleus and cytoplasm of HEK293 and SH-SY5Y cells. Confocal microscope images were input into the freely available software CellProfiler, which was used to isolate and measure the two cellular compartments. Significant increases in the amount of cytoplasmic TDP-43 and FUS were detectable in cells expressing known ALS-causative TARDBP and FUS gene mutations. Pharmacological intervention with the apoptosis inducer staurosporine also induced measurable cytoplasmic mislocalisation of endogenous FUS. Additionally, this technique was able to detect the subtler effect of mutation in a secondary gene ( CYLD ) on endogenous TDP-43 localisation. Conclusions These findings validate this methodology as a novel in vitro technique for the quantification of TDP-43 or FUS mislocalisation that can be used to assess the pathogenicity of predicted FTD- or ALS-causative mutations.

Background: Converging evidence suggests that immune-mediated dysfunction plays an important role in the pathogenesis of frontotemporal dementia (FTD). Although genetic studies have shown that immune-associated loci are associated with increased FTD risk, a systematic investigation of genetic overlap between immune-mediated diseases and the spectrum of FTD-related disorders has not been performed. Methods and findings: Using large genome-wide association studies (GWAS) (total n = 192,886 cases and controls) and recently developed tools to quantify genetic overlap/pleiotropy, we systematically identified single nucleotide polymorphisms (SNPs) jointly associated with 'FTD-related disorders' namely FTD, corticobasal degeneration (CBD), progressive supranuclear palsy (PSP), and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) - and one or more immune-mediated diseases including Crohn's disease (CD), ulcerative colitis (UC), rheumatoid arthritis (RA), type 1 diabetes (T1D), celiac disease (CeD), and psoriasis (PSOR). We found up to 270-fold genetic enrichment between FTD and RA and comparable enrichment between FTD and UC, T1D, and CeD. In contrast, we found only modest genetic enrichment between any of the immune-mediated diseases and CBD, PSP or ALS. At a conjunction false discovery rate (FDR) < 0.05, we identified numerous FTD-immune pleiotropic SNPs within the human leukocyte antigen (HLA) region on chromosome 6. By leveraging the immune diseases, we also found novel FTD susceptibility loci within LRRK2 (Leucine Rich Repeat Kinase 2), TBKBP1 (TANK-binding kinase 1 Binding Protein 1), and PGBD5 (PiggyBac Transposable Element Derived 5). Functionally, we found that expression of FTD-immune pleiotropic genes (particularly within the HLA region) is altered in postmortem brain tissue from patients with frontotemporal dementia and is enriched in microglia compared to other central nervous system (CNS) cell types. Conclusions: We show considerable immune-mediated genetic enrichment specifically in FTD, particularly within the HLA region. Our genetic results suggest that for a subset of patients, immune dysfunction may contribute to risk for FTD. These findings have potential implications for clinical trials targeting immune dysfunction in patients with FTD.

SPTLC1 encodes a critical subunit of serine palmitoyltransferase, the enzyme catalyzing the first and rate-limiting step in de novo sphingolipid biosynthesis, and mutations in this gene are known to cause hereditary sensory autonomic neuropathy, type 1A . Using exome sequencing, we identified a de novo variant in SPTLC1 resulting in a p.Ala20Ser amino acid change in an individual diagnosed with juvenile-onset amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and confirmed its pathogenicity by showing elevated plasma levels of neurotoxic deoxymethyl-sphinganine. A second case of juvenile-onset ALS arising again from a p.Ala20Ser mutation was later identified, confirming the association of SPTLC1 with this form of motor neuron disease. We also found SPTLC1 mutations in 0.34% of 5,607 ALS cases, and immunohistochemically confirmed the expression of SPTLC1 in spinal cord motor neurons, supporting their role in the pathogenesis of this fatal neurological disease. We corrected the toxicity of deoxymethyl-sphinganine in HEK293FT cells using L-serine supplementation. Our data broaden the phenotype associated with SPTLC1 and suggest that nutritional supplementation with serine may be beneficial if instituted at an early stage among patients carrying mutations in SPTLC1 .

Abstract Background Frontotemporal dementia (FTD) is one of the most common forms of younger-onset dementia. FTD is genetically, pathologically and clinically related to amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a rapidly progressive neurodegenerative disorder. Mutations in TANK-binding kinase 1 ( TBK1 ) have been identified as a rare cause of FTD and ALS. TBK1 has known roles in inflammation and autophagy and interacts with other FTD and ALS proteins such as optineurin (OPTN): however, which of its roles are important to FTD/ALS pathogenesis remains undetermined. To date, >90 TBK1 rare variants have been identified in FTD/ALS patients: >50% of these are missense variants of unknown significance (VUS). Methods In this study, we have used a functional assay pipeline to investigate the effect of 16 TBK1 VUS with in-silico evidence of pathogenicity, together with two known pathogenic mutations and a common benign TBK1 polymorphism. Our assay pipeline evaluated the effect of TBK1 VUS on steady-state levels of TBK1, kinase activity and binding to OPTN. We also assessed the impact of TBK1 VUS on a key neuropathological feature of FTD and ALS cases: mislocalisation of neuronal TDP-43 from the nucleus to the cytoplasm. Results We observed some TBK1 VUS that had similar effects to TBK1 loss-of-function mutations, demonstrating decreased kinase activity and loss of OPTN binding. Both known pathogenic mutations and several TBK1 VUS also increased the cytoplasmic/nuclear ratio of TDP-43 and this inversely correlated with their degree of OPTN binding but not with kinase activity. Conclusions These results suggest that loss of the direct interaction between TBK1 and OPTN is more critical to FTD and ALS pathogenesis than TBK1’s kinase activity. However, further studies are needed to elucidate exactly how loss of TBK1 binding to OPTN leads to TDP-43 pathology and ultimately neurodegeneration.