ABSTRACT Over 90% of variants are rare, and 50% of them are singletons in the Alzheimer’s Disease Sequencing Project Whole Exome Sequencing (ADSP WES) data. However, either single variant tests or unit-based tests are limited in the statistical power to detect the association between rare variants and phenotypes. To best utilize rare variants and investigate their biological effect, we exam their association with phenotypes in the context of protein. We developed a protein structure-based approach, POKEMON (Protein Optimized Kernel Evaluation of Missense Nucleotides), which evaluates rare missense variants based on their spatial distribution on the protein rather than allele frequency. The hypothesis behind this is that the three-dimensional spatial distribution of variants within a protein structure provides functional context and improves the power of association tests. POKEMON identified four candidate genes from the ADSP WES data, namely two known Alzheimer’s disease (AD) genes ( TREM2 and SORL ) and two novel genes ( DUSP18 and CSF1R ). For known AD genes, the signal from the spatial cluster is stable even if we exclude known AD risk variants, indicating the presence of additional low frequency risk variants within these genes. DUSP18 has a cluster of variants primarily shared by case subjects around the ligand-binding domain, and this cluster is further validated in a replication dataset with a larger sample size. POKEMON is an open-source tool available at https://github.com/bushlab-genomics/POKEMON .

The Alzheimer's Disease Sequencing Project (ADSP) performed whole genome sequencing (WGS) of 584 subjects from 111 multiplex families at three sequencing centers. Genotype calling of single nucleotide variants (SNVs) and insertion-deletion variants (indels) was performed centrally using GATK-HaplotypeCaller and Atlas V2. The ADSP Quality Control (QC) Working Group applied QC protocols to project-level variant call format files (VCFs) from each pipeline, and developed and implemented a novel protocol, termed consensus calling, to combine genotype calls from both pipelines into a single high-quality set. QC was applied to autosomal bi-allelic SNVs and indels, and included pipeline-recommended QC filters, variant-level QC, and sample-level QC. Low-quality variants or genotypes were excluded, and sample outliers were noted. Quality was assessed by examining Mendelian inconsistencies (MIs) among 67 parent-offspring pairs, and MIs were used to establish additional genotype-specific filters for GATK calls. After QC, 578 subjects remained. Pipeline-specific QC excluded ~12.0% of GATK and 14.5% of Atlas SNVs. Between pipelines, ~91% of SNV genotypes across all QCed variants were concordant; 4.23% and 4.56% of genotypes were exclusive to Atlas or GATK, respectively; the remaining ~0.01% of discordant genotypes were excluded. For indels, variant-level QC excluded ~36.8% of GATK and 35.3% of Atlas indels. Between pipelines, ~55.6% of indel genotypes were concordant; while 10.3% and 28.3% were exclusive to Atlas or GATK, respectively; and ~0.29% of discordant genotypes were. The final WGS consensus dataset contains 27,896,774 SNVs and 3,133,926 indels and is publicly available.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) risk differs between population groups, with African Americans and Hispanics being the most affected groups compared to non-Hispanic Whites. Genetic factors contribute significant risk to AD, but the genetic regulatory architectures (GRA) have primarily been studied in Europeans. Many AD genes are expressed in microglia; thus, we explored the impact of genetic ancestry (Amerindian (AI), African (AF), and European (EU)) on the GRA in iPSC-derived microglia from 13 individuals (∼4 each with high global ancestry, AD and controls) through ATAC-seq and RNA-seq analyses. We identified several differentially accessible and expressed genes (2 and 10 AD-related, respectively) between ancestry groups. We also found a high correlation between the transcriptomes of iPSC-derived and brain microglia, supporting their use in human studies. This study provides valuable insights into genetically diverse microglia beyond the analysis of AD.

Abstract Background Haptoglobin (HP) is an antioxidant of apolipoprotein E (APOE), and previous reports have shown HP binds with APOE and amyloid-β (Aβ) to aid its clearance. A common structural variant of the HP gene distinguishes it into two alleles: HP1 and HP2 . Methods HP genotypes were imputed in 29 cohorts from the Alzheimer’s Disease (AD) Genetics Consortium (N=22,651). Associations between the HP polymorphism and AD risk and age of onset through APOE interactions were investigated using regression models. Results The HP polymorphism significantly impacts AD risk and age at onset in European-descent individuals (and in meta-analysis with African Americans) by modifying both the protective effect of APOEε2 and the detrimental effect of APOEε4 , especially for APOEε4 carriers. Discussion The effect modification of APOE by HP suggests adjustment and/or stratification by HP genotype is warranted when APOE risk is considered. Our findings also provided directions for further investigations on potential mechanisms behind this association.

Abstract Background European local ancestry (ELA) surrounding APOE4 is associated with a higher risk for Alzheimer Disease (AD) compared to African local ancestry (ALA). We previously demonstrated significantly higher APOE4 expression in ELA vs ALA in the frontal cortex of APOE4/4 AD patients. Differences in chromatin accessibility could contribute to these differences in APOE4 expression. Methods We performed single nuclei Assays for Transposase Accessible Chromatin sequencing (snATAC-seq) and single nuclei RNA sequencing (snRNA-seq) from frozen frontal cortex of six ALA and six ELA AD patients, all homozygous for local ancestry and APOE4 . Results We demonstrated that APOE4 , including its promoter area, has greater chromatin accessibility in ELA vs ALA astrocytes. This increased accessibility in ELA astrocytes extended genome wide. Genes with increased accessibility and expression in ELA in astrocytes were enriched for synaptic function, cholesterol processing and astrocyte reactivity. Conclusion Our results suggest that increased chromatin accessibility of APOE4 in astrocyte with the ELA contributes to the observed elevated APOE4 expression, corresponding to the increased AD risk in ELA vs ALA APOE4/4 carriers.

Background: The ancestral genetic heterogeneity (admixture) of Caribbean Hispanics makes studies of this population critical to the discovery of ancestry-specific genetic factors in Alzheimer disease. In this study, we performed whole genome sequencing in multiplex Caribbean Hispanic Puerto Rican families to identify rare causal variants influencing Alzheimer disease through linkage and segregation-based approaches. Methods: As part of the Puerto Rican Alzheimer Disease Initiative, whole genome sequencing data were generated for 100 individuals (61 affected) from 23 Puerto Rican families. To identify the genetic loci likely to carry risk variants, we performed a parametric multipoint affected individuals-only linkage analysis using MERLIN software. Following the linkage analysis, we identified the consensus region (heterogeneity logarithm of the odds score (HLOD) > 5.1), annotated variants using Ensembl Variant Effect Predictor, and combined annotation dependent depletion score (CADD). Finally, we prioritized variants according to allele frequency (< 0.01), function (CADD > 10), and complete segregation among affected individuals. Results: A locus at 9p21 produced a linkage HLOD score of 5.1 in the parametric affecteds-only multipoint affected individuals-only model supported by 9 families. Through the prioritization step, we selected 36 variants (22 genic variants). Candidate genes in the regions include C9orf72, UNC13B, and ELAVL2. Conclusions: Linkage analysis of Caribbean Hispanics Puerto Rican families confirmed previously reported linkage to 9p21 in non-Hispanic White and Israeli-Arap families. Our results suggest several candidates in the region as conferring AD risk. Identified putative damaging rare variants in multiplex families indicates the critical role of rare variation in Alzheimer disease etiology.

APOEϵ4 African local genomic ancestry (LA) confers less risk for Alzheimer disease (AD) relative to European LA (LA) carriers. Single nucleus RNA sequencing from AD-APOEϵ4/4 frontal cortex found European LA carriers have a 1.45-fold greater APOEϵ4 expression (p< 1.8 E10-313) and are associated with a unique A1 reactive astrocyte cluster. This suggests a potential mechanism for the increased risk for AD seen in European LA carriers of APOEϵ4.

A missense variant in the tetratricopeptide repeat domain 3 ( TTC3 ) gene (rs377155188, p.S1038C, NM_003316.4:c.3113C>G) was found to segregate with disease in a multigenerational family with late onset Alzheimer's disease. This variant was introduced into induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from a cognitively intact individual using CRISPR genome editing and the resulting isogenic pair of iPSC lines were differentiated into cortical neurons. Transcriptome analysis showed an enrichment for genes involved in axon guidance, regulation of actin cytoskeleton, and GABAergic synapse. Functional analysis showed that the TTC3 p.S1038C iPSC-derived neuronal progenitor cells had altered 3D morphology and increased migration, while the corresponding neurons had longer neurites, increased branch points, and altered expression levels of synaptic proteins. Pharmacological treatment with small molecules that target the actin cytoskeleton could revert many of these cellular phenotypes, suggesting a central role for actin in mediating the cellular phenotypes associated with the TTC3 p.S1038C variant.The AD risk variant TTC3 p.S1038C reduces the expression levels of TTC3 The variant modifies the expression of AD specific genes BACE1 , INPP5F , and UNC5C Neurons with the variant are enriched for genes in the PI3K-Akt pathwayiPSC-derived neurons with the alteration have increased neurite length and branchingThe variant interferes with actin cytoskeleton and is ameliorated by Cytochalasin D.