We performed hypothesis-free linkage analysis and exome sequencing in a family with two siblings who had neuronal ceroid lipofuscinosis (NCL). Two linkage peaks with maximum LOD scores of 3.07 and 2.97 were found on chromosomes 7 and 17, respectively. Unexpectedly, we found these siblings to be homozygous for a c.813_816del (p.Thr272Serfs∗10) mutation in the progranulin gene (GRN, granulin precursor) in the latter peak. Heterozygous mutations in GRN are a major cause of frontotemporal lobar degeneration with TDP-43 inclusions (FTLD-TDP), the second most common early-onset dementia. Reexamination of progranulin-deficient mice revealed rectilinear profiles typical of NCL. The age-at-onset and neuropathology of FTLD-TDP and NCL are markedly different. Our findings reveal an unanticipated link between a rare and a common neurological disorder and illustrate pleiotropic effects of a mutation in the heterozygous or homozygous states. We performed hypothesis-free linkage analysis and exome sequencing in a family with two siblings who had neuronal ceroid lipofuscinosis (NCL). Two linkage peaks with maximum LOD scores of 3.07 and 2.97 were found on chromosomes 7 and 17, respectively. Unexpectedly, we found these siblings to be homozygous for a c.813_816del (p.Thr272Serfs∗10) mutation in the progranulin gene (GRN, granulin precursor) in the latter peak. Heterozygous mutations in GRN are a major cause of frontotemporal lobar degeneration with TDP-43 inclusions (FTLD-TDP), the second most common early-onset dementia. Reexamination of progranulin-deficient mice revealed rectilinear profiles typical of NCL. The age-at-onset and neuropathology of FTLD-TDP and NCL are markedly different. Our findings reveal an unanticipated link between a rare and a common neurological disorder and illustrate pleiotropic effects of a mutation in the heterozygous or homozygous states. The neuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs) are neurodegenerative diseases characterized by storage of abnormal lipopigment in lysosomes. The more common childhood-onset forms, which are usually associated with visual failure, are due to recessive mutations in a group of genes believed to be involved in lysosomal processing.1Mole, S.E., and Williams, R.E. (2010). Neuronal Ceroid-Lipofuscinoses. In GeneReviews, R.A. Pagon, T.D. Bird, and C.R. Dolan, et al., eds. (Seattle, WA: University of Washington), http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1428/.Google Scholar Adult-onset cases are rarer and can present with or without retinopathy; the genetic causes are now being unraveled.2Arsov T. Smith K.R. Damiano J. Franceschetti S. Canafoglia L. Bromhead C.J. Andermann E. Vears D.F. Cossette P. Rajagopalan S. et al.Kufs disease, the major adult form of neuronal ceroid lipofuscinosis, caused by mutations in CLN6.Am. J. Hum. Genet. 2011; 88: 566-573Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (117) Google Scholar, 3Nosková L. Stránecký V. Hartmannová H. Přistoupilová A. Barešová V. Ivánek R. Hůlková H. Jahnová H. van der Zee J. Staropoli J.F. et al.Mutations in DNAJC5, encoding cysteine-string protein alpha, cause autosomal-dominant adult-onset neuronal ceroid lipofuscinosis.Am. J. Hum. Genet. 2011; 89: 241-252Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (201) Google Scholar We employed genetic linkage analysis and massively parallel sequencing to identify the genetic cause of NCL with retinopathy in a family with apparent recessive inheritance for whom screening of likely known genes (PPT1 [MIM 600722], CLN3 [MIM 607042], and CLN6 [MIM 606725]) was unrewarding. Two siblings with apparently unrelated, healthy parents were affected (Figure 1A ). The 28-year-old proband presented with rapidly progressive visual failure at 22 years, followed by major convulsions at 25 years, and myoclonic seizures at 26 years. Clinical examination showed mild cerebellar ataxia, early cognitive deterioration, and retinal dystrophy (Figure 1B). Electroencephalogram (EEG) results showed generalized polyspike wave discharges, electroretinogram results showed severe attenuation of both rod and cone responses, and MRI results showed cerebellar atrophy. Electron microscopic examination of a skin biopsy demonstrated numerous fingerprint profiles in membrane-bound structures in eccrine-secretory cells and in endothelium (Figure 1C). The proband's 26-year-old sister began having recurrent convulsions at 23 years, sometimes preceded by visual distortions. Her vision was initially normal but deteriorated when she was 25 years old. Examination revealed cerebellar ataxia and retinal dystrophy. EEG results showed polyspike wave discharges with a posterior emphasis, and MRI results revealed cerebellar atrophy. Clinical studies were approved by the Human Research Ethics Committee of Austin Health, Melbourne, Australia, and written informed consent was obtained from participating family members. DNA isolated from blood samples of the two affected siblings and their parents was genotyped through the use of Illumina Infinium HumanHap610W-Quad BeadChip genotyping arrays at the Australian Genome Research Facility (Melbourne). We analyzed genotypes for a subset of 11,572 SNP markers that have high heterozygosity and are in approximate linkage equilibrium (one SNP was chosen per 0.3 cM). Marker selection was performed by the Perl script linkdatagen.pl.4Bahlo M. Bromhead C.J. Generating linkage mapping files from Affymetrix SNP chip data.Bioinformatics. 2009; 25: 1961-1962Crossref PubMed Scopus (57) Google Scholar Although the parents were not known to be related, they came from nearby small villages in Lombardy, Italy. To determine whether consanguinity was present, we estimated the inbreeding coefficients (F) of the affected siblings using FEstim,5Leutenegger A.L. Prum B. Génin E. Verny C. Lemainque A. Clerget-Darpoux F. Thompson E.A. Estimation of the inbreeding coefficient through use of genomic data.Am. J. Hum. Genet. 2003; 73: 516-523Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (192) Google Scholar obtaining F = 0.000 for the affected son and F = 0.006 for the affected daughter. This suggests that the parents are distantly related (approximately second cousins once removed; expected F = 0.0078). To ascertain the chromosomal locus, we performed an initial multipoint parametric linkage analysis that assumed no relationship between the two parents using MERLIN.6Abecasis G.R. Cherny S.S. Cookson W.O. Cardon L.R. Merlin—rapid analysis of dense genetic maps using sparse gene flow trees.Nat. Genet. 2002; 30: 97-101Crossref PubMed Scopus (2780) Google Scholar We specified a fully penetrant recessive genetic model, a disease allele frequency of 0.0001, and allele frequencies from the Centre d'Etude du Polymorphisme Humain (CEPH; Utah residents with ancestry from northern and western Europe) HapMap population. FEstim was then used to adjust the LOD scores produced by MERLIN to account for the estimated inbreeding.7Leutenegger A.L. Labalme A. Genin E. Toutain A. Steichen E. Clerget-Darpoux F. Edery P. Using genomic inbreeding coefficient estimates for homozygosity mapping of rare recessive traits: application to Taybi-Linder syndrome.Am. J. Hum. Genet. 2006; 79: 62-66Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (43) Google Scholar This analysis revealed two linkage peaks located on chromosomes 7 and 17 (Figure 2). These peaks do not overlap any of the following genes previously implicated in NCL: PPT1, TPP1, CLN3, CLN5, CLN6, MFSD8, CLN8, CTSD, or DNAJC5. The linkage peak on chromosome 7 achieved a maximum adjusted LOD score of 3.07 and was located between rs1981701 and rs318572 (50.54 to 54.14 cM via deCODE), spanning 3.19 Mb and encompassing 25 genes. The linkage peak on chromosome 17 achieved a maximum adjusted LOD score of 2.97 and was located between rs2019231 and rs3809854 (70.07 to 73.75 cM); it spanned 5.42 Mb and encompassed 186 genes. To efficiently identify a potential causative mutation, we sequenced the exomes of the two parents and their affected son. Exome capture and sequencing was performed by Axeq Technologies (Rockville, MD, USA). DNA samples were enriched for approximately 62 Mb of the genome identified as being “exomic” with the use of Illumina TruSeq capture and sequenced using an Illumina HiSeq 2000 machine, generating 110 bp paired-end reads. Reads were aligned to the hg19 reference genome with the use of Novoalign, with quality score calibration performed. Multimapping reads were removed; potential PCR duplicates were removed with Picard. Variants were called with the mpileup and bcftools view utilities from the SAMtools package8Li H. A statistical framework for SNP calling, mutation discovery, association mapping and population genetical parameter estimation from sequencing data.Bioinformatics. 2011; 27: 2987-2993Crossref PubMed Scopus (3166) Google Scholar, 9Li H. Ruan J. Durbin R. Mapping short DNA sequencing reads and calling variants using mapping quality scores.Genome Res. 2008; 18: 1851-1858Crossref PubMed Scopus (2019) Google Scholar and filtered with the vcfutils.pl script from the same package. Variants were annotated with ANNOVAR.10Wang K. Li M. Hakonarson H. ANNOVAR: functional annotation of genetic variants from high-throughput sequencing data.Nucleic Acids Res. 2010; 38: e164Crossref PubMed Scopus (7948) Google Scholar We used HumVar-trained PolyPhen-2 (v2.1.0r367) to predict the biological impact of nonsynonymous variants.11Adzhubei I.A. Schmidt S. Peshkin L. Ramensky V.E. Gerasimova A. Bork P. Kondrashov A.S. Sunyaev S.R. A method and server for predicting damaging missense mutations.Nat. Methods. 2010; 7: 248-249Crossref PubMed Scopus (9354) Google Scholar Table S1, available online, summarizes the number of reads mapped to each exome, and Table S2 summarizes the distribution of coverage for targeted bases. We detected 325,946 variants from the reference sequence in at least one member of the trio. No rare (not reported or with frequencies of less than 1% in the 1000 Genomes May 2011 release12Durbin R.M. Abecasis G.R. Altshuler D.L. Auton A. Brooks L.D. Gibbs R.A. Hurles M.E. McVean G.A. 1000 Genomes Project ConsortiumA map of human genome variation from population-scale sequencing.Nature. 2010; 467: 1061-1073Crossref PubMed Scopus (5948) Google Scholar) exonic or splice-site variants were detected in PPT1, TPP1, CLN3, CLN5, CLN6, MFSD8, CLN8, CTSD, or DNAJC5. A total of 1,688 variants (0.52%) were located within the two linkage regions, of which 352 were rare and 20 were predicted to affect exonic regions or splice sites. All of these 20 variants were located within the linkage peak on chromosome 17. We discarded three variants that resulted in synonymous changes not predicted to affect splicing. Of the remaining 17 variants, three had inferred genotypes following the pattern expected under the consanguineous recessive disease model (i.e., the affected son was homozygous and unaffected parents were heterozygous; missing genotypes were permitted). The three candidate disease-causing variants are described in Table S3. All three variants were present in dbSNP 132. Two variants (in DBF4B [MIM 611661] and ADAM11 [MIM 155120]) were present in the 1000 Genomes data set, both with an alternate allele frequency of 0.006. The third variant was not present in the 1000 Genomes data set, but was a known pathogenic mutation: a 4 bp deletion in GRN (MIM 138945; NM_002087.2), which encodes progranulin (also known as the granulin precursor). The c.813_816del mutation (rs63749877) results in a frameshift and premature termination of translation 10 residues downstream (p.Thr272Serfs∗10). Sanger sequencing confirmed that the variant was genuine and segregated as expected in the family, with the mother and father heterozygous for the variant and both affected children homozygous. Heterozygous c.813_816del GRN mutations are known to cause frontotemporal lobar degeneration13Benussi L. Binetti G. Sina E. Gigola L. Bettecken T. Meitinger T. Ghidoni R. A novel deletion in progranulin gene is associated with FTDP-17 and CBS.Neurobiol. Aging. 2008; 29: 427-435Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (98) Google Scholar, 14Benussi L. Ghidoni R. Pegoiani E. Moretti D.V. Zanetti O. Binetti G. Progranulin Leu271LeufsX10 is one of the most common FTLD and CBS associated mutations worldwide.Neurobiol. Dis. 2009; 33: 379-385Crossref PubMed Scopus (101) Google Scholar, 15Le Ber I. Camuzat A. Hannequin D. Pasquier F. Guedj E. Rovelet-Lecrux A. Hahn-Barma V. van der Zee J. Clot F. Bakchine S. et al.French research network on FTD/FTD-MNDPhenotype variability in progranulin mutation carriers: a clinical, neuropsychological, imaging and genetic study.Brain. 2008; 131: 732-746Crossref PubMed Scopus (279) Google Scholar, 16Yu C.-E. Bird T.D. Bekris L.M. Montine T.J. Leverenz J.B. Steinbart E. Galloway N.M. Feldman H. Woltjer R. Miller C.A. et al.The spectrum of mutations in progranulin: a collaborative study screening 545 cases of neurodegeneration.Arch. Neurol. 2010; 67: 161-170Crossref PubMed Scopus (151) Google Scholar (FTLD-TDP; MIM 607485). This presents in later life, so we reevaluated the family for features of frontal lobe dementia. There was a history of late dementia (approximately seventh decade) in the maternal grandfather, paternal grandmother, and great uncle; as all three individuals are deceased, pathological diagnoses could not be made, and DNA could not be obtained. A number of older relatives had died before 55 years of age, so a more obvious pattern of autosomal-dominant dementia may have been masked. The parents, both heterozygous for the mutation, were in their fifties and healthy. DNA from all available family members was screened. The results (Figure 1) indicate that the mother must have inherited the c.813_816del mutation from her father, who had dementia, and that an additional family member in the parents' generation is a c.813_816del heterozygote. Plasma progranulin was measured in available family members with a commercial kit (Human Progranulin ELISA Kit, AdipoGen, Seoul, South Korea).17Ghidoni R. Stoppani E. Rossi G. Piccoli E. Albertini V. Paterlini A. Glionna M. Pegoiani E. Agnati L.F. Fenoglio C. et al.Optimal plasma progranulin cutoff value for predicting null progranulin mutations in neurodegenerative diseases: a multicenter Italian study.Neurodegener. Dis. 2012; 9: 121-127Crossref PubMed Scopus (85) Google Scholar Plasma progranulin correlated with the genotypes; values were 125–143 ng/ml in three individuals with no copies of the deletion (median normal value: 126 ng/ml17Ghidoni R. Stoppani E. Rossi G. Piccoli E. Albertini V. Paterlini A. Glionna M. Pegoiani E. Agnati L.F. Fenoglio C. et al.Optimal plasma progranulin cutoff value for predicting null progranulin mutations in neurodegenerative diseases: a multicenter Italian study.Neurodegener. Dis. 2012; 9: 121-127Crossref PubMed Scopus (85) Google Scholar), 33–48 ng/ml in the three heterozygous subjects, which is below the cutoff value (62 ng/ml) for predicting heterozygous null mutations,17Ghidoni R. Stoppani E. Rossi G. Piccoli E. Albertini V. Paterlini A. Glionna M. Pegoiani E. Agnati L.F. Fenoglio C. et al.Optimal plasma progranulin cutoff value for predicting null progranulin mutations in neurodegenerative diseases: a multicenter Italian study.Neurodegener. Dis. 2012; 9: 121-127Crossref PubMed Scopus (85) Google Scholar and undetectable (<0.6 ng/ml) in the two homozygous affected siblings (Figure 1A). Subsequently, we sequenced 20 unrelated cases of proven or suspected adult NCL wherein known NCL genes had been excluded. All 13 exons, exon-intron boundaries, and untranslated regions of GRN were PCR-amplified, sequenced with the BigDye Terminator v3.1 Cycle Sequencing protocol, and run on an ABI 3730XL DNA Analyzer (Life Technologies, Carlsbad, CA, USA). We did not find homozygous or compound-heterozygous mutations in any of these individuals, although one was found to be heterozygous for the most common GRN mutation, c.1477C>T (p.Arg493∗; rs63751294).18Rademakers R. Baker M. Gass J. Adamson J. Huey E.D. Momeni P. Spina S. Coppola G. Karydas A.M. Stewart H. et al.Phenotypic variability associated with progranulin haploinsufficiency in patients with the common 1477C—>T (Arg493X) mutation: an international initiative.Lancet Neurol. 2007; 6: 857-868Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (183) Google Scholar This patient presented with limb dystonia, spasticity, gait disturbance, apraxia, and dementia at the age of 46. Death occurred around the age of 48–49. We excluded the possibility that this individual had a partial deletion of the second GRN allele by performing a multiplex ligation-dependent probe amplification assay. We were unable to reevaluate the original diagnosis of NCL as the original electron micrographs and tissue samples were unavailable. This diagnosis was made on the basis of lymphocyte inclusions, which may be unreliable in adult NCL; we suspect that the individual may have had FTLD-TDP misdiagnosed as adult NCL. We also sequenced the same regions of GRN for 188 anonymous blood-bank controls without detecting any known mutations or novel variants. Ahmed et al. previously generated mice deficient in the orthologous Grn (Grn−/−) and reported accumulation of abnormal intraneuronal ubiquitin-positive autofluorescent lipofuscin detected by light microscopy.19Ahmed Z. Sheng H. Xu Y.F. Lin W.-L. Innes A.E. Gass J. Yu X. Wuertzer C.A. Hou H. Chiba S. et al.Accelerated lipofuscinosis and ubiquitination in granulin knockout mice suggest a role for progranulin in successful aging.Am. J. Pathol. 2010; 177: 311-324Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (216) Google Scholar This finding has since been replicated with the use of independently generated Grn-deficient mice.20Petkau T.L. Neal S.J. Milnerwood A. Mew A. Hill A.M. Orban P. Gregg J. Lu G. Feldman H.H. Mackenzie I.R.A. et al.Synaptic dysfunction in progranulin-deficient mice.Neurobiol. Dis. 2012; 45: 711-722Crossref PubMed Scopus (119) Google Scholar Electron microscopic examination of fixed brain tissue from the Ahmed et al. mice revealed abundant rectilinear profiles diagnostic of NCL (Figure 3). Animal studies were performed in accordance with the Mayo Clinic Institutional Animal Care and Use Committee. We report that homozygous c.813_816del mutations in GRN cause adult-onset NCL and suggest that this locus be designated CLN11. This result is remarkable, given that mutations in this gene are an important cause of FTLD-TDP in the heterozygous state and that the two clinically distinct neurological disorders have very different pathologies. Clinically, mutations in specific genes usually determine important phenotypes in either the heterozygous or homozygous state, but not both. In classical recessive disorders, heterozygous individuals are usually healthy, asymptomatic carriers, although there may be a clinically trivial or biochemical phenotype or sometimes even a survival advantage, such as for sickle cell trait (MIM 603903).21Pasvol G. Weatherall D.J. Wilson R.J.M. Cellular mechanism for the protective effect of haemoglobin S against P. falciparum malaria.Nature. 1978; 274: 701-703Crossref PubMed Scopus (226) Google Scholar In classical dominant disorders, the population allele frequency is low, so homozygous individuals are exceptional, except in inbred communities.22Zlotogora J. Dominance and homozygosity.Am. J. Med. Genet. 1997; 68: 412-416Crossref PubMed Scopus (46) Google Scholar When observed, such rare homozygous cases may differ little from heterozygous family members (e.g., in Huntington disease [MIM 143100] and epidermolysis bullosa simplex [MIM 131900]) or have a more severe form of the same phenotype, suggesting an additive effect on the gene product dysfunction (e.g., in Marfan syndrome [MIM 154700], achondroplasia [MIM 100800], and Charcot-Marie-Tooth disease [MIM 118200]).22Zlotogora J. Dominance and homozygosity.Am. J. Med. Genet. 1997; 68: 412-416Crossref PubMed Scopus (46) Google Scholar One example of different diseases with homozygous versus heterozygous mutations involves the gene that encodes acid beta-glucosidase (GBA [MIM 606463]). Homozygous GBA mutations have been long known to cause the various forms of Gaucher disease (MIMs 608013, 230800, 230900, 231000, and 231005), where there is storage of glucocerebroside. More recently, various heterozygous GBA mutations have been shown to increase the risk of late-onset Parkinson disease (MIM 168600), not as a Mendelian trait but rather as a susceptibility factor.23Goker-Alpan O. Giasson B.I. Eblan M.J. Nguyen J. Hurtig H.I. Lee V.M.-Y. Trojanowski J.Q. Sidransky E. Glucocerebrosidase mutations are an important risk factor for Lewy body disorders.Neurology. 2006; 67: 908-910Crossref PubMed Scopus (169) Google Scholar, 24Goker-Alpan O. Schiffmann R. LaMarca M.E. Nussbaum R.L. McInerney-Leo A. Sidransky E. Parkinsonism among Gaucher disease carriers.J. Med. Genet. 2004; 41: 937-940Crossref PubMed Scopus (282) Google Scholar Although the present result was unexpected and we did not identify additional cases, the finding of similar and diagnostic electron-microscopic features of NCL in the human material and in the progranulin-deficient mouse supports our conclusion of strikingly different phenotypes for this GRN mutation depending on whether it is homozygous or heterozygous. The sibling pair had early-adult onset of severe retinal disease with seizures, ataxia, and cognitive change. Although brain biopsies were not available from the siblings, the mouse brain pathology mirrored the known human pathology of NCL in its storage of abnormal autofluorescent lipopigment with characteristic ultrastructural features in neurons.25Anderson G. Elleder M. Goebel H.H. Morphological diagnostic and pathological considerations.in: Mole S.E. Williams R.E. Goebel H.H. The neuronal ceroid lipofuscinoses (Batten disease). Oxford University Press, Oxford, UK2011: 35-49Crossref Google Scholar, 26Carpenter S. Karpati G. Andermann F. Jacob J.C. Andermann E. The ultrastructural characteristics of the abnormal cytosomes in Batten-Kufs' disease.Brain. 1977; 100: 137-156Crossref PubMed Scopus (104) Google Scholar This contrasts with FTLD-TDP due to heterozygous GRN mutation; the disorder presents in later life with behavioral and cognitive impairment, but seizures are unusual, and ataxia and retinal involvement are absent. The pathology does not reveal lipopigment storage material but rather neurons with TDP-43-immunoreactive neuronal and glial inclusions.27Josephs K.A. Ahmed Z. Katsuse O. Parisi J.F. Boeve B.F. Knopman D.S. Petersen R.C. Davies P. Duara R. Graff-Radford N.R. et al.Neuropathologic features of frontotemporal lobar degeneration with ubiquitin-positive inclusions with progranulin gene (PGRN) mutations.J. Neuropathol. Exp. Neurol. 2007; 66: 142-151Crossref PubMed Scopus (161) Google Scholar, 28Mackenzie I.R.A. Baker M. Pickering-Brown S. Hsiung G.-Y.R. Lindholm C. Dwosh E. Gass J. Cannon A. Rademakers R. Hutton M. Feldman H.H. The neuropathology of frontotemporal lobar degeneration caused by mutations in the progranulin gene.Brain. 2006; 129: 3081-3090Crossref PubMed Scopus (257) Google Scholar To the best of our knowledge, homozygous mutations have not previously been reported in GRN. Indeed, Bruni et al.29Bruni A.C. Momeni P. Bernardi L. Tomaino C. Frangipane F. Elder J. Kawarai T. Sato C. Pradella S. Wakutani Y. et al.Heterogeneity within a large kindred with frontotemporal dementia: a novel progranulin mutation.Neurology. 2007; 69: 140-147Crossref PubMed Scopus (67) Google Scholar found no homozygotes in a highly consanguineous Calabrian family in which 19 individuals were found to be heterozygous for a c.1144dup (p.Thr382Asnfs∗32) mutation in GRN. The authors speculated that the loss of both GRN alleles might cause embryonic lethality,29Bruni A.C. Momeni P. Bernardi L. Tomaino C. Frangipane F. Elder J. Kawarai T. Sato C. Pradella S. Wakutani Y. et al.Heterogeneity within a large kindred with frontotemporal dementia: a novel progranulin mutation.Neurology. 2007; 69: 140-147Crossref PubMed Scopus (67) Google Scholar but our data showing homozygotes with undetectable progranulin levels and the viability of the Grn−/− mouse show that progranulin deficiency is compatible with life. Progranulin has multiple physiological roles, and it influences inflammation, early embryogenesis, tumorigenesis, and adult tissue repair.30Bateman A. Bennett H.P.J. The granulin gene family: from cancer to dementia.Bioessays. 2009; 31: 1245-1254Crossref PubMed Scopus (263) Google Scholar How haploinsufficiency causes FTLD-TDP remains uncertain. In Caenorhabditis elegans, progranulin deficiency causes more rapid clearance of apoptotic cells and inadvertently results in the clearance of neurons that would otherwise recover from initiation of apoptosis.31Kao A.W. Eisenhut R.J. Martens L.H. Nakamura A. Huang A. Bagley J.A. Zhou P. de Luis A. Neukomm L.J. Cabello J. et al.A neurodegenerative disease mutation that accelerates the clearance of apoptotic cells.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011; 108: 4441-4446Crossref PubMed Scopus (95) Google Scholar This observation, however, does not explain how progranulin deficiency would result in NCL. Given the link between NCL and proteins that affect lysosomal processing, the association between GRN mutation and NCL suggests that progranulin has a lysosomal function. There is good evidence that progranulin is neurotrophic or neuroprotective,30Bateman A. Bennett H.P.J. The granulin gene family: from cancer to dementia.Bioessays. 2009; 31: 1245-1254Crossref PubMed Scopus (263) Google Scholar potentially through the modulation of survival signaling. Disruption of cell signaling processes could conceivably result in rapid “aging” of unprotected progranulin-deficient cells with respect to lipofuscinosis. Indeed, homozygous GRN deficiency in mice results in microglial activation, increased ubiquitination, and excess lipopigment deposition.19Ahmed Z. Sheng H. Xu Y.F. Lin W.-L. Innes A.E. Gass J. Yu X. Wuertzer C.A. Hou H. Chiba S. et al.Accelerated lipofuscinosis and ubiquitination in granulin knockout mice suggest a role for progranulin in successful aging.Am. J. Pathol. 2010; 177: 311-324Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (216) Google Scholar The history of dementia in this family was not regarded as remarkable when first assessed. Early death in many older family members masked the likely autosomal-dominant pattern on both sides of the family (Figure 1A). It has been estimated that 50% of c.813_816del heterozygotes show symptoms by the age of 63 and that 97.3% are symptomatic by the age of 73.14Benussi L. Ghidoni R. Pegoiani E. Moretti D.V. Zanetti O. Binetti G. Progranulin Leu271LeufsX10 is one of the most common FTLD and CBS associated mutations worldwide.Neurobiol. Dis. 2009; 33: 379-385Crossref PubMed Scopus (101) Google Scholar Thus, the discovery of homozygous mutation in children presents an unexpected ethical dilemma in terms of new knowledge regarding the likelihood of late-life dementia in the parents and other healthy heterozygotes. With the recent widespread implementation of massively parallel sequencing to uncover causes of hitherto obscure early-onset recessive phenotypes,32Najmabadi H. Hu H. Garshasbi M. Zemojtel T. Abedini S.S. Chen W. Hosseini M. Behjati F. Haas S. Jamali P. et al.Deep sequencing reveals 50 novel genes for recessive cognitive disorders.Nature. 2011; 478: 57-63Crossref PubMed Scopus (698) Google Scholar even in single families as here, further examples of pleiotropic effects of homozygous and heterozygous mutations may emerge. This will create opportunities for better pathophysiological understanding, but may also result in unexpected ethical quandaries upon the emergence of age-dependent heterozygous phenotypes. K.R.S. is supported by a PhD scholarship funded by the Pratt Foundation. S.F.B. is supported by a National Health and Medical Research Council (NHMRC) Australia Fellowship and an NHMRC Program Grant. M.B. is supported by an Australian Research Council (ARC) Future Fellowship and an NHMRC Program Grant. S.E.M. is supported by the Medical Research Council. The Batten Disease Support and Research Association supported S.E.M., J.S., and K.S. We thank Pawan Mann and Olivia Galante for technical assistance; Danya Vears, Robyn Ferguson, and Karen Oliver for technical support; the Rare NCL Gene Consortium for encouraging collaborative research on variant NCL cases; and the families and physicians for providing samples. Download .pdf (.04 MB) Help with pdf files Document S1. Tables S1–S3 The URLs for data presented herein are as follows:Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), http://www.omim.org/Novoalign, www.novocraft.comPicard, http://picard.sourceforge.net/

β-Amyloid precursor protein (APP) mutations cause familial Alzheimer's disease with nearly complete penetrance. We found an APP mutation [alanine-673→valine-673 (A673V)] that causes disease only in the homozygous state, whereas heterozygous carriers were unaffected, consistent with a recessive Mendelian trait of inheritance. The A673V mutation affected APP processing, resulting in enhanced β-amyloid (Aβ) production and formation of amyloid fibrils in vitro. Co-incubation of mutated and wild-type peptides conferred instability on Aβ aggregates and inhibited amyloidogenesis and neurotoxicity. The highly amyloidogenic effect of the A673V mutation in the homozygous state and its anti-amyloidogenic effect in the heterozygous state account for the autosomal recessive pattern of inheritance and have implications for genetic screening and the potential treatment of Alzheimer's disease.

The heterogeneity of neurodegenerative diseases is a key confound to disease understanding and treatment development, as study cohorts typically include multiple phenotypes on distinct disease trajectories. Here we introduce a machine-learning technique-Subtype and Stage Inference (SuStaIn)-able to uncover data-driven disease phenotypes with distinct temporal progression patterns, from widely available cross-sectional patient studies. Results from imaging studies in two neurodegenerative diseases reveal subgroups and their distinct trajectories of regional neurodegeneration. In genetic frontotemporal dementia, SuStaIn identifies genotypes from imaging alone, validating its ability to identify subtypes; further the technique reveals within-genotype heterogeneity. In Alzheimer's disease, SuStaIn uncovers three subtypes, uniquely characterising their temporal complexity. SuStaIn provides fine-grained patient stratification, which substantially enhances the ability to predict conversion between diagnostic categories over standard models that ignore subtype (p = 7.18 × 10-4) or temporal stage (p = 3.96 × 10-5). SuStaIn offers new promise for enabling disease subtype discovery and precision medicine.

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.

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.

Background: Microtubule-associated protein tau (MAPT) mutations are one of the main causes of genetic Frontotemporal dementia (FTD) and are characterised by high clinical heterogeneity. A behavioural variant of FTD is the principal phenotype, but other rarer phenotypes are described, mostly reported as single cases. In this review, we provide an overview of the clinical phenotypes associated with MAPT mutations in order to define their characteristics and explore genotype-phenotype correlations. Methods: We performed systematic bibliographic research on the Pubmed database, focusing on articles published between 1998 and 2022. We analysed the clinical phenotype of 177 patients carrying MAPT mutations, focusing on the rarest ones. We performed a narrative synthesis of the results. Results: Regarding language phenotypes, the most frequent were the non-fluent variant and the semantic variant of Primary Progressive Aphasia (nfvPPA, svPPA), approximately in the same proportion. Almost 20% of the whole group of patients present a clinical phenotype belonging to the corticobasal syndrome-progressive supranuclear palsy (CBS-PSP) spectrum. While no clear genotype-phenotype correlation could be identified, some mutations were associated with a specific phenotype, while others gave origin to multiple clinical pictures and mixed phenotypes. Conclusions: A high clinical heterogeneity exists in FTD associated with MAPT mutations without a clear phenotype-genotype correlation in most cases. However, some characteristics can be helpful to drive genetic testing. Deep phenotyping of patients, together with functional studies of single mutations, particularly those associated with atypical phenotypes, are necessary to better understand the biological mechanisms underlying this clinical variability.

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.