Summary

Background

 Fetal structural anomalies, which are detected by ultrasonography, have a range of genetic causes, including chromosomal aneuploidy, copy number variations (CNVs; which are detectable by chromosomal microarrays), and pathogenic sequence variants in developmental genes. Testing for aneuploidy and CNVs is routine during the investigation of fetal structural anomalies, but there is little information on the clinical usefulness of genome-wide next-generation sequencing in the prenatal setting. We therefore aimed to evaluate the proportion of fetuses with structural abnormalities that had identifiable variants in genes associated with developmental disorders when assessed with whole-exome sequencing (WES). 

Methods

 In this prospective cohort study, two groups in Birmingham and London recruited patients from 34 fetal medicine units in England and Scotland. We used whole-exome sequencing (WES) to evaluate the presence of genetic variants in developmental disorder genes (diagnostic genetic variants) in a cohort of fetuses with structural anomalies and samples from their parents, after exclusion of aneuploidy and large CNVs. Women were eligible for inclusion if they were undergoing invasive testing for identified nuchal translucency or structural anomalies in their fetus, as detected by ultrasound after 11 weeks of gestation. The partners of these women also had to consent to participate. Sequencing results were interpreted with a targeted virtual gene panel for developmental disorders that comprised 1628 genes. Genetic results related to fetal structural anomaly phenotypes were then validated and reported postnatally. The primary endpoint, which was assessed in all fetuses, was the detection of diagnostic genetic variants considered to have caused the fetal developmental anomaly. 

Findings

 The cohort was recruited between Oct 22, 2014, and June 29, 2017, and clinical data were collected until March 31, 2018. After exclusion of fetuses with aneuploidy and CNVs, 610 fetuses with structural anomalies and 1202 matched parental samples (analysed as 596 fetus-parental trios, including two sets of twins, and 14 fetus-parent dyads) were analysed by WES. After bioinformatic filtering and prioritisation according to allele frequency and effect on protein and inheritance pattern, 321 genetic variants (representing 255 potential diagnoses) were selected as potentially pathogenic genetic variants (diagnostic genetic variants), and these variants were reviewed by a multidisciplinary clinical review panel. A diagnostic genetic variant was identified in 52 (8·5%; 95% CI 6·4–11·0) of 610 fetuses assessed and an additional 24 (3·9%) fetuses had a variant of uncertain significance that had potential clinical usefulness. Detection of diagnostic genetic variants enabled us to distinguish between syndromic and non-syndromic fetal anomalies (eg, congenital heart disease only vs a syndrome with congenital heart disease and learning disability). Diagnostic genetic variants were present in 22 (15·4%) of 143 fetuses with multisystem anomalies (ie, more than one fetal structural anomaly), nine (11·1%) of 81 fetuses with cardiac anomalies, and ten (15·4%) of 65 fetuses with skeletal anomalies; these phenotypes were most commonly associated with diagnostic variants. However, diagnostic genetic variants were least common in fetuses with isolated increased nuchal translucency (≥4·0 mm) in the first trimester (in three [3·2%] of 93 fetuses). 

Interpretation

 WES facilitates genetic diagnosis of fetal structural anomalies, which enables more accurate predictions of fetal prognosis and risk of recurrence in future pregnancies. However, the overall detection of diagnostic genetic variants in a prospectively ascertained cohort with a broad range of fetal structural anomalies is lower than that suggested by previous smaller-scale studies of fewer phenotypes. WES improved the identification of genetic disorders in fetuses with structural abnormalities; however, before clinical implementation, careful consideration should be given to case selection to maximise clinical usefulness. 

Funding

 UK Department of Health and Social Care and The Wellcome Trust.

There are marked mitochondrial abnormalities in parkin-knock-out Drosophila and other model systems. The aim of our study was to determine mitochondrial function and morphology in parkin-mutant patients. We also investigated whether pharmacological rescue of impaired mitochondrial function may be possible in parkin-mutant human tissue.

Previous studies have failed to identify mutations in the Wilson’s disease gene ATP7B in a significant number of clinically diagnosed cases. This has led to concerns about genetic heterogeneity for this condition but also suggested the presence of unusual mutational mechanisms. We now present our findings in 181 patients from the United Kingdom with clinically and biochemically confirmed Wilson’s disease. A total of 116 different ATP7B mutations were detected, 32 of which are novel. The overall mutation detection frequency was 98%. The likelihood of mutations in genes other than ATP7B causing a Wilson’s disease phenotype is therefore very low. We report the first cases with Wilson’s disease due to segmental uniparental isodisomy as well as three patients with three ATP7B mutations and three families with Wilson’s disease in two consecutive generations. We determined the genetic prevalence of Wilson’s disease in the United Kingdom by sequencing the entire coding region and adjacent splice sites of ATP7B in 1000 control subjects. The frequency of all single nucleotide variants with in silico evidence of pathogenicity (Class 1 variant) was 0.056 or 0.040 if only those single nucleotide variants that had previously been reported as mutations in patients with Wilson’s disease were included in the analysis (Class 2 variant). The frequency of heterozygote, putative or definite disease-associated ATP7B mutations was therefore considerably higher than the previously reported occurrence of 1:90 (or 0.011) for heterozygote ATP7B mutation carriers in the general population (P < 2.2 × 10-16 for Class 1 variants or P < 5 × 10-11 for Class 2 variants only). Subsequent exclusion of four Class 2 variants without additional in silico evidence of pathogenicity led to a further reduction of the mutation frequency to 0.024. Using this most conservative approach, the calculated frequency of individuals predicted to carry two mutant pathogenic ATP7B alleles is 1:7026 and thus still considerably higher than the typically reported prevalence of Wilson’s disease of 1:30 000 (P = 0.00093). Our study provides strong evidence for monogenic inheritance of Wilson’s disease. It also has major implications for ATP7B analysis in clinical practice, namely the need to consider unusual genetic mechanisms such as uniparental disomy or the possible presence of three ATP7B mutations. The marked discrepancy between the genetic prevalence and the number of clinically diagnosed cases of Wilson’s disease may be due to both reduced penetrance of ATP7B mutations and failure to diagnose patients with this eminently treatable disorder.

Here, Tain et al. describe the genetic interaction between 4E-BP, an inhibitor of translation, with Parkinson's disease–associated park and Pink1 in Drosophila, where the manipulation of 4E-BP reduced the pathologic phenotypes, including degeneration of dopaminergic neurons, in park and Pink1 mutant flies. Mutations in PINK1 and PARK2 cause autosomal recessive parkinsonism, a neurodegenerative disorder that is characterized by the loss of dopaminergic neurons. To discover potential therapeutic pathways, we identified factors that genetically interact with Drosophila park and Pink1. We found that overexpression of the translation inhibitor Thor (4E-BP) can suppress all of the pathologic phenotypes, including degeneration of dopaminergic neurons in Drosophila. 4E-BP is activated in vivo by the TOR inhibitor rapamycin, which could potently suppress pathology in Pink1 and park mutants. Rapamycin also ameliorated mitochondrial defects in cells from individuals with PARK2 mutations. Recently, 4E-BP was shown to be inhibited by the most common cause of parkinsonism, dominant mutations in LRRK2. We also found that loss of the Drosophila LRRK2 homolog activated 4E-BP and was also able to suppress Pink1 and park pathology. Thus, in conjunction with recent findings, our results suggest that pharmacologic stimulation of 4E-BP activity may represent a viable therapeutic approach for multiple forms of parkinsonism.

Objective:

 The LRRK2^G2019S mutation is the most common identifiable cause for Parkinson disease (PD), but the underlying mechanisms leading to neuronal cell death remain largely unclear. Impaired mitochondrial function and morphology have been described in different in vivo and in vitro model systems of early-onset PD (EOPD) as well as in EOPD patient tissue. The aim of our study was to assess mitochondrial function and morphology in LRRK2^G2019S mutant patient tissue to determine whether impaired mitochondrial function and morphology are shared features in early-onset and late-onset PD. 

Methods:

 Skin biopsies were taken from 5 patients with PD with the LRRK2^G2019S mutation. Assessment of mitochondrial membrane potential and intracellular ATP levels as well as substrate-linked mitochondrial ATP production assays were all carried out on 3 independent cell preparations per patient. Results were compared to 5 age-matched controls. Mitochondrial elongation and interconnectivity was assessed using previously published methods. 

Results:

 Both mitochondrial membrane potential and total intracellular ATP levels were decreased in the G2019S mutation carriers. Subsequently undertaken mitochondrial ATP production assays suggested that the observed reduction is at least partially due to impaired mitochondrial function. Mitochondrial elongation and interconnectivity were increased in the LRRK2^G2019S patient cohort. 

Conclusion:

 Our results provide evidence for impaired mitochondrial function and morphology in LRRK2^G2019S mutant patient tissue. Further studies are required to determine whether the impaired mitochondrial function is due to increased LRRK2 kinase activity or other mechanisms such as LRRK2 haploinsufficiency.

Abstract PGC-1α plays a central role in maintaining the mitochondrial and energy metabolism homeostasis, linking external stimuli to the transcriptional co-activation of genes involved in adaptive and age-related pathways. The carboxyl-terminus encodes a serine/arginine-rich (RS) region and a putative RNA recognition motif, however potential RNA-processing role(s) have remained elusive for the past 20 years. Here, we show that the RS domain of human PGC-1α directly interacts with RNA and the nuclear RNA export factor NXF1. Inducible depletion of endogenous PGC-1α and expression of RNAi-resistant RS-deleted PGC-1α further demonstrate that the RNA-binding activity is required for nuclear export of co-activated transcripts and mitochondrial homeostasis. Moreover, a quantitative proteomics approach confirmed PGC-1α-dependent RNA transport and mitochondrial-related functions, identifying also novel mRNA nuclear export targets in age-related telomere maintenance. Discovering a novel function for a major cellular homeostasis regulator provides new directions to further elucidate the roles of PGC-1α in gene expression, metabolic disorders, ageing and neurodegenerative diseases.

Abstract The additive effect of genetic risk variants on overall disease risk is a plausible but frequently unproven hypothesis. To test this hypothesis, we assessed the biological effect of combined glucocerebrosidase (GCase) and acid sphingomyelinase (ASM) deficiency. Variants in both glucocerebrosidase1 ( GBA1 ) and sphingomyelinase ( SMPD1 ) are genetic risk factors for Parkinson’s disease. Unexpectedly, ASM deficiency resulted in normalized behaviour and prolonged survival in gba1 −/− ; smpd1 −/− double-mutant zebrafish compared to gba1 −/− . RNAseq-based pathway analysis confirmed a profound rescue of neuronal function and intracellular homeostasis. We identified complete reciprocal rescue of mitochondrial respiratory chain function and abolished lipid membrane oxidation in gba1 −/− ; smpd1 −/− compared to gba1 −/− or smpd1 −/− as the underlying rescue mechanism. Complementing in vitro experiments demonstrated an unexpected reduction of α-synuclein levels in human cell lines with combined GCase and ASM deficiency. Our study highlights the importance of functional validation for any putative interactions between genetic risk factors and their overall effect on disease-relevant mechanisms rather than readily assuming an additive effect. Summary The additive effect of genetic risk variants on disease risk is a popular but typically unproven hypothesis. We investigated this hypothesis mechanistically for Parkinson’s disease risk factors and provide evidence of an unexpected rescue effect on neuronal function and survival.