Background The possible role of somatic copy number variations (CNVs) in Alzheimer’s disease (AD) aetiology has been controversial. Although cytogenetic studies suggested increased CNV loads in AD brains, a recent single-cell whole-genome sequencing (scWGS) experiment, studying frontal cortex brain samples, found no such evidence. Here we readdressed this issue using lowcoverage scWGS on pyramidal neurons dissected using laser capture microdissection (LCM) across five brain regions: entorhinal cortex, temporal cortex, hippocampal CA1, hippocampal CA3, and the cerebellum. Results Among reliably detected somatic CNVs identified in 1301 cells obtained from the brains of 13 AD patients and 7 healthy controls, deletions were more frequent compared to duplications. Interestingly, we observed slightly higher frequencies of CNV events in cells from AD compared to similar numbers of cells from controls (4.1% vs. 1.4%, or 0.9% vs. 0.7%, using different filtering approaches), although the differences were not statistically significant. We also observed that LCM-isolated cells show higher within-cell read depth variation compared to cells isolated with fluorescence activated cell sorting (FACS), which we argue may have both biological and technical causes. Furthermore, we found that LCM-isolated neurons in AD harbour slightly more read depth variability than neurons of controls, which might be related to the reported hyperploid profiles of some AD-affected neurons. We also propose a principal component analysis-based denoising approach that significantly reduces within-cell read depth variation in scWGS data. Conclusions We find slightly higher somatic CNV frequencies in the brains of AD patients, and higher sequencing coverage variability, although the effects measured do not reach statistical significance. The results call for improved experimental protocols to determine the possible role of CNVs in AD pathogenesis.

Abstract The presence of somatic mutations, including copy number variants (CNVs), in the brain is well recognized. Comprehensive study requires single-cell whole genome amplification, with several methods available, prior to sequencing. We compared PicoPLEX with two recent adaptations of multiple displacement amplification (MDA): primary template-directed amplification (PTA) and droplet MDA, across 93 human brain cortical nuclei. We demonstrated different properties for each, with PTA providing the broadest amplification, PicoPLEX the most even, and distinct chimeric profiles. Furthermore, we performed CNV calling on two brains with multiple system atrophy and one control brain using different reference genomes. We found that 38% of brain cells have at least one Mb-scale CNV, with some supported by bulk sequencing or single-cells from other brain regions. Our study highlights the importance of selecting whole genome amplification method and reference genome for CNV calling, while supporting the existence of somatic CNVs in healthy and diseased human brain.

Medawar's mutation accumulation (MA) hypothesis explains ageing by the declining force of natural selection with age: slightly deleterious germline mutations that are functional in old age are not effectively eliminated by selection and therefore lead to ageing-related phenotypes. Although widely cited, empirical support for the MA hypothesis, particularly molecular evidence, has remained limited. Here we test one of its predictions, that genes relatively highly expressed in old adults vs. young adults should be under weaker purifying selection than those relatively highly expressed in young adults. To do so, we combine 23 RNA-sequencing and 35 microarray gene expression datasets (including 9 tissues from 5 mammalian species) with protein and regulatory sequence conservation estimates across mammals. We identify age-related decrease in transcriptome conservation (ADICT) in four tissues, brain, liver, lung, and artery, but not in other tissues, most notably muscle and heart. ADICT is driven both by decreased expression of highly conserved genes and up-regulation of poorly conserved genes during ageing, in line with the MA hypothesis. Lowly conserved and up-regulated genes in ADICT-associated tissues have overlapping functional properties, particularly involving apoptosis and inflammation, with no evidence for a history of positive selection. Our results suggest that tissues vary in how evolution has shaped their ageing patterns. We find that in some tissues, genes up-regulated during ageing, possibly in response to accumulating cellular and histological damage, are under weaker purifying selection than other genes. We propose that accumulation of slightly deleterious substitutions in these genes may underlie their suboptimal regulation and activity during ageing, shaping senescent phenotypes such as inflammaging.

Abstract The mutation accumulation theory predicts that aging is caused by accumulation of late-acting deleterious variants in the germ-line, due to weak purifying selection at old age. In accordance with this model, we and others have shown that sequence conservation among old-biased genes (with higher expression in old versus young adults) is weaker than among young-biased genes across a number of mammalian and insect species. However, questions remained regarding the source and generality of this observation. It was especially unclear whether the observed patterns were driven by tissue and cell type composition shifts or by cell-autonomous expression changes during aging. How wide this trend would extend to non-mammalian metazoan aging was also uncertain. Here we analyzed bulk tissue as well as cell type-specific RNA sequencing data from diverse animal taxa across six different datasets from five species. We show that the previously reported age-related decrease in transcriptome conservation (ADICT) is commonly found in aging tissues of non-mammalian species, including non-mammalian vertebrates (chicken brain, killifish liver and skin) and invertebrates (fruit fly brain). Analyzing cell type-specific transcriptomes of adult mice, we further detect the same ADICT trend at the single cell type level. Old-biased genes are less conserved across the majority of cell types analyzed in the lung, brain, liver, muscle, kidney, and skin, and these include both tissue-specific cell types, and also ubiquitous immune cell types. Overall, our results support the notion that aging in metazoan tissues may be at least partly shaped by the mutation accumulation process.