Amyloid protein precursor (APP), presenilin-1 (PSEN1), and presenilin-2 (PSEN2) mutations cause autosomal dominant forms of early-onset Alzheimer disease (AD-EOAD). Although these genes were identified in the 1990s, variant classification remains a challenge, highlighting the need to colligate mutations from large series.We report here a novel update (2012-2016) of the genetic screening of the large AD-EOAD series ascertained across 28 French hospitals from 1993 onwards, bringing the total number of families with identified mutations to n = 170. Families were included when at least two first-degree relatives suffered from early-onset Alzheimer disease (EOAD) with an age of onset (AOO) ≤65 y in two generations. Furthermore, we also screened 129 sporadic cases of Alzheimer disease with an AOO below age 51 (44% males, mean AOO = 45 ± 2 y). APP, PSEN1, or PSEN2 mutations were identified in 53 novel AD-EOAD families. Of the 129 sporadic cases screened, 17 carried a PSEN1 mutation and 1 carried an APP duplication (13%). Parental DNA was available for 10 sporadic mutation carriers, allowing us to show that the mutation had occurred de novo in each case. Thirteen mutations (12 in PSEN1 and 1 in PSEN2) identified either in familial or in sporadic cases were previously unreported. Of the 53 mutation carriers with available cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers, 46 (87%) had all three CSF biomarkers-total tau protein (Tau), phospho-tau protein (P-Tau), and amyloid β (Aβ)42-in abnormal ranges. No mutation carrier had the three biomarkers in normal ranges. One limitation of this study is the absence of functional assessment of the possibly and probably pathogenic variants, which should help their classification.Our findings suggest that a nonnegligible fraction of PSEN1 mutations occurs de novo, which is of high importance for genetic counseling, as PSEN1 mutational screening is currently performed in familial cases only. Among the 90 distinct mutations found in the whole sample of families and isolated cases, definite pathogenicity is currently established for only 77%, emphasizing the need to pursue the effort to classify variants.

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 For complex disorders, estimating the age-related penetrance associated with rare variants of strong effect is essential before a putative use for genetic counseling or disease prevention. However, rarity and co-occurrence with other risk factors make such estimations difficult. In the context of Alzheimer disease, we present a survival model to estimate the penetrance of SORL1 rare (allele frequency< 1%) Loss-of-Function variants (LoF) while accounting for APOE -ε4, the main risk factor (allele frequency∼ 14% in Caucasians). We developed an efficient strategy to compute penetrance estimates accounting for both common and rare genetic variants based on available penetrance curves associated with common risk factors and using incomplete pedigree data to quantify the additional risk conferred by rare variants. Our model combines: (i) a baseline for non-carriers of SORL1 LoF variants, stratified by APOE genotypes derived from the Rotterdam study and (ii) an age-dependent proportional hazard effect for SORL1 LoF variants estimated from pedigrees with a proband carrying such a variant. We embed this model into an Expectation-Maximisation algorithm to accommodate for missing genotypes. Confidence intervals were computed by bootstraps. To correct for ascertainment bias, proband phenotypes were omitted. We obtained penetrance curves associated with SORL1 LoF variants at the digenic level. By age 70, we estimate a 100% penetrance of SORL1 LoF variants only among APOE -ε4ε4 carriers, while penetrance is 56%[40% − 72%] among ε4 heterozygous carriers and 37%[26% − 51%] among ε4 non-carriers. We conclude that rare SORL1 LoF variants should not be used for genetic counseling regardless of the APOE status.

Abstract Heme is a prosthetic group that plays a critical role in catalyzing life-essential redox reactions in all cells, including critical metabolic processes. Heme synthesis must be tightly co-regulated with cellular requirements in order to maximize utilization and minimize toxicity. Terminally differentiating erythroid cells have an extremely high demand for heme for hemoglobin synthesis. While the enzymatic reactions of heme synthesis are extremely well studied, the mechanisms by which the mitochondrial homeostatic machinery interacts with and regulates heme synthesis are poorly understood. Knowledge of these regulatory mechanisms are key to understanding how red cells couple heme production with heme demand. Heme synthesis is tightly regulated by the mitochondrial AAA+ unfoldase CLPX, which has been reported to promote heme synthesis by activation of yeast δ-aminolevulinate synthase (ALAS/Hem1). CLPX was also reported to mediate heme-induced turnover of ALAS1 in human cells. However, a mutation in the ATP binding domain of CLPX that abrogated ATP binding caused an increase in ALAS activity, contrary to previous predictions that CLPX activated ALAS. Using loss-of-function assays in murine cells and zebrafish, we interrogated the mechanisms by which CLPX regulates erythroid heme synthesis. We found that consistent with previous studies, CLPX is required for erythroid heme synthesis. We show that ALAS2 stability and activity were both increased in the absence of CLPX, suggesting that CLPX primarily regulates ALAS2 by control of its turnover. However, we also showed that CLPX is required for PPOX activity and maintenance of FECH levels, likely accounting for the heme deficiency in the absence of CLPX. Lastly, CLPX is required for iron metabolism during erythroid terminal differentiation. Our results show that the role of CLPX in heme synthesis is not conserved across eukaryotes. Our studies reveal a potential mechanism for the role of CLPX in anemia and porphyria, and reveal multiple nodes at which heme synthesis is regulated by the mitochondrial housekeeping machinery.

ABSTRACT The SorLA protein, encoded by the SORL1 gene, is a major player in Alzheimer’s disease (AD) pathophysiology. Functional and genetic studies demonstrated that SorLA deficiency results in increased production of Aβ peptides, and thus a higher risk of AD. A large number of SORL1 missense variants have been identified in AD patients, but their functional consequences remain largely undefined. Here, we identified a new pathophysiological mechanism, by which rare SORL1 missense variants identified in AD patients result in altered maturation and trafficking of the SorLA protein. An initial screening, based on the overexpression of 71 SorLA variants in HEK293 cells, revealed that 15 of them (S114R, R332W, G543E, S564G, S577P, R654W, R729W, D806N, Y934C, D1535N, D1545E, P1654L, Y1816C, W1862C, P1914S) induced a maturation and trafficking-deficient phenotype. Three of these variations (R332W, S577P, and R654W) and two maturation-competent variations (S124R and N371T) were further studied in details in CRISPR/Cas9-modified hiPSCs. When expressed at endogenous levels, the R332W, S577P, and R654W SorLA variants also showed a maturation defective profile. We further demonstrated that these variants were largely retained in the endoplasmic reticulum, resulting in a reduction in the delivery of SorLA mature protein to the plasma membrane and to the endosomal system. Importantly, expression of the R332W and R654W variants in hiPSCs was associated with a clear increase of Aβ secretion, demonstrating a loss-of-function effect of these SorLA variants regarding this ultimate readout, and a direct link with AD pathophysiology. Furthermore, structural analysis of the impact of missense variations on SorLA protein indicated that impaired cellular trafficking of SorLA protein could be due to subtle variations of the protein 3D structure resulting from changes in the interatomic interactions.

Abstract The literature has reported the isolation of arsenate-dependent growing (ADG) microorganisms which lack a canonical homolog for respiratory arsenate reductase, ArrAB. We recently isolated an ADG bacterium from arsenic-bearing environments in Northern Chile, Fusibacter sp. strain 3D3 ( Fas ) and studied the arsenic metabolism in this Gram-positive isolate. Features of Fas deduced from genome analysis and comparative analysis with other arsenic-reducing microorganisms revealed the lack of ArrAB coding genes and the occurrence of two arsC genes encoding for putative cytoplasmic arsenate reductases named ArsC-1 and ArsC-2. Interestingly, ArsC-1 and ArsC-2 belong to the thioredoxin-coupled family (because of the redox-active disulfide protein used as reductant), but they conferred differential AsV resistance to the E. coli WC3110 Δ arsC strain. PCR experiments confirmed the absence of arrAB genes and results obtained using uncouplers revealed that Fas growth is linked to the proton gradient. In addition, Fas harbors ferredoxin-NAD + oxidoreductase (Rnf) coding genes. These are key molecular markers of a recently discovered flavin-based electron bifurcation mechanism involved in energy conservation, mainly in anaerobic metabolisms regulated by the cellular redox state and mostly associated with cytoplasmic enzyme complexes. At least three electron-bifurcating flavoenzyme complexes were evidenced in Fas , some of them shared in conserved genomic regions by other members of the Fusibacter genus. These physiological and genomic findings permit us to hypothesize the existence of an uncharacterized arsenate-dependent growth metabolism regulated by the cellular redox state in Fusibacter genus.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is characterized by extracellular amyloid plaques containing amyloid-β (Aβ) peptides, intraneuronal neurofibrillary tangles, extracellular neuropil threads, and dystrophic neurites surrounding plaques composed of hyperphosphorylated tau protein (pTau). Aβ can also deposit in blood vessel walls leading to cerebral amyloid angiopathy (CAA). While amyloid plaques in AD brains are constant, CAA varies among cases. The study focuses on differences observed between rare and poorly studied patient groups with APP duplications ( APP dup) and Down syndrome (DS) reported to have higher frequencies of elevated CAA levels in comparison to sporadic AD (sAD), most of APP mutations, and controls. We compared Aβ and tau pathologies in postmortem brain tissues across cases and Aβ peptides using mass spectrometry (MS). We further characterized the spatial distribution of Aβ peptides with MS-brain imaging. While intraparenchymal Aβ deposits were numerous in sAD, DS with AD (DS-AD) and AD with APP mutations, these were less abundant in APP dup. On the contrary, Aβ deposits in the blood vessels were abundant in APP dup and DS-AD while only APP dup cases displayed high Aβ deposits in capillaries. Investigation of Aβ peptide profiles showed a specific increase in Aβx-37, Aβx-38 and Aβx-40 but not Aβx-42 in APP dup cases and to a lower extent in DS-AD cases. Interestingly, N-truncated Aβ2-x peptides were particularly increased in APP dup compared to all other groups. This result was confirmed by MS-imaging of leptomeningeal and parenchymal vessels from an APP dup case, suggesting that CAA is associated with accumulation of shorter Aβ peptides truncated both at N- and C-termini in blood vessels. Altogether, this study identified striking differences in the localization and composition of Aβ deposits between AD cases, particularly APP dup and DS-AD, both carrying three genomic copies of the APP gene. Detection of specific Aβ peptides in CSF or plasma of these patients could improve the diagnosis of CAA and their inclusion in anti-amyloid immunotherapy treatments.

Iron overload, notably caused by hereditary hemochromatosis, is an excess storage of iron in various organs which cause tissue damage and may promote tumorigenesis. To manage that disorder, free iron depletion can be induced by iron chelators like deferoxamine which are gaining interest also in the cancer field since iron stock could be a potent target for managing tumorigenesis. Curcumin, a well-known active substance extracted from the turmeric rhizome, has shown to be destabilizing endoplasmic reticulum and secondarily lysozomes, increasing mitophagy/autophagy and subsequent apoptosis. Recent findings show that cells treated with curcumin exhibit also a decrease in ferritin, which is consistent with it′s chemical structure and iron chelating activity. Here we investigated how curcumin would play on the intracellular effects of iron overload via Fe-Nitriloacetic acid or Ferric ammonium citrate loading in Huh-7 cells and explore consequences in terms of antioxidant activity, autophagy, or apoptotic signal transduction. With T51B and RL-34 epithelial cells experiments, we brought evidence that curcumin-iron complexation abolishes both curcumin-induced autophagy and apoptosis together with the tumorigenic action of iron overload.