The genetics of schizophrenia and other mental disorders are complex and poorly understood, and made even harder to study because reduced reproduction rates result in negative selection pressure on risk alleles. To date, some copy number variations have been linked to schizophrenia but the studies have been relatively small. Now two independent large-scale genome-wide studies of thousands of patients and controls by two international consortia confirm a previously identified locus but also reveal novel associations. In the first study, a collaboration between SGENE and partners, de novo (spontaneous) copy number variants are reported on chromosomes 1 and 15. In the second study, by the International Schizophrenia Consortium, deletions were also reported on these chromosomes, as was greater overall frequency of copy number variation in the genome. The genetics of schizophrenia and other mental disorders are complex and poorly understood, and made even harder to study due to reduced reproduction resulting in negative selection pressure on risk alleles. Two independent large-scale genome wide studies of thousands of patients and controls by two international consortia confirm a previously identified locus, but also reveal novel associations. In this study, deletions were reported on chromosomes 1 and 15, as well as a greater overall frequency of copy number variation in the genome. Schizophrenia is a severe mental disorder marked by hallucinations, delusions, cognitive deficits and apathy, with a heritability estimated at 73–90% (ref. 1). Inheritance patterns are complex, and the number and type of genetic variants involved are not understood. Copy number variants (CNVs) have been identified in individual patients with schizophrenia2,3,4,5,6,7 and also in neurodevelopmental disorders8,9,10,11, but large-scale genome-wide surveys have not been performed. Here we report a genome-wide survey of rare CNVs in 3,391 patients with schizophrenia and 3,181 ancestrally matched controls, using high-density microarrays. For CNVs that were observed in less than 1% of the sample and were more than 100 kilobases in length, the total burden is increased 1.15-fold in patients with schizophrenia in comparison with controls. This effect was more pronounced for rarer, single-occurrence CNVs and for those that involved genes as opposed to those that did not. As expected, deletions were found within the region critical for velo-cardio-facial syndrome, which includes psychotic symptoms in 30% of patients12. Associations with schizophrenia were also found for large deletions on chromosome 15q13.3 and 1q21.1. These associations have not previously been reported, and they remained significant after genome-wide correction. Our results provide strong support for a model of schizophrenia pathogenesis that includes the effects of multiple rare structural variants, both genome-wide and at specific loci.

The possibility that neurons in the basal ganglia and cerebellum innervate areas of the cerebral cortex that are involved in cognitive function has been a controversial subject. Here, retrograde transneuronal transport of herpes simplex virus type 1 (HSV1) was used to identify subcortical neurons that project via the thalamus to area 46 of the primate prefrontal cortex. This cortical area is known to be involved in spatial working memory. Many neurons in restricted regions of the dentate nucleus of the cerebellum and in the internal segment of the globus pallidus were labeled by transneuronal transport of virus from area 46. The location of these neurons was different from those labeled after HSV1 transport from motor areas of the cerebral cortex. These observations define an anatomical substrate for the involvement of basal ganglia and cerebellar output in higher cognitive function.

The cerebellum is known to project via the thalamus to multiple motor areas of the cerebral cortex. In this study, we examined the extent and anatomical organization of cerebellar input to multiple regions of prefrontal cortex. We first used conventional retrograde tracers to map the origin of thalamic projections to five prefrontal regions: medial area 9 (9m), lateral area 9 (9l), dorsal area 46 (46d), ventral area 46, and lateral area 12. Only areas 46d, 9m, and 9l received substantial input from thalamic regions included within the zone of termination of cerebellar efferents. This suggested that these cortical areas were the target of cerebellar output. We tested this possibility using retrograde transneuronal transport of the McIntyre-B strain of herpes simplex virus type 1 from areas of prefrontal cortex. Neurons labeled by retrograde transneuronal transport of virus were found in the dentate nucleus only after injections into areas 46d, 9m, and 9l. The precise location of labeled neurons in the dentate varied with the prefrontal area injected. In addition, the dentate neurons labeled after virus injections into prefrontal areas were located in regions spatially separate from those labeled after virus injections into motor areas of the cerebral cortex. Our observations indicate that the cerebellum influences several areas of prefrontal cortex via the thalamus. Furthermore, separate output channels exist in the dentate to influence motor and cognitive operations. These results provide an anatomical substrate for the cerebellum to be involved in cognitive functions such as planning, working memory, and rule-based learning.

Microarray expression profiling of prefrontal cortex from matched pairs of schizophrenic and control subjects and hierarchical data analysis revealed that transcripts encoding proteins involved in the regulation of presynaptic function (PSYN) were decreased in all subjects with schizophrenia. Genes of the PSYN group showed a different combination of decreased expression across subjects. Over 250 other gene groups did not show altered expression. Selected PSYN microarray observations were verified by in situ hybridization. Two of the most consistently changed transcripts in the PSYN functional gene group, N-ethylmaleimide sensitive factor and synapsin II, were decreased in ten of ten and nine of ten subjects with schizophrenia, respectively. The combined data suggest that subjects with schizophrenia share a common abnormality in presynaptic function. We set forth a predictive, testable model.

We used retrograde transneuronal transport of the McIntyre-B strain of herpes simplex virus type 1 to examine the extent and organization of basal-ganglia–thalamocortical projections to five regions of prefrontal cortex in the cebus monkey (Cebus apella): medial and lateral area 9 (9m and 9l), dorsal and ventral area 46 (46d and 46v) and lateral area 12 (12l). All of these prefrontal areas were found to be targets of basal-ganglia output that originated in the internal segment of the globus pallidus (GPi) and/or the pars reticulata of the substantia nigra (SNpr). Approximately one-third of the total volume of these nuclei was directed toward prefrontal cortex, a volume comparable to that directed at the cortical motor areas. The origins of the outputs to different prefrontal areas were topographically organized. Different portions of SNpr (the rostral and caudal thirds) projected to areas 9m and 12l. Similarly, different output nuclei (GPi and SNpr) projected to adjacent portions of the same cytoarchitectonic field (46d and 46v). Furthermore, the outputs to prefrontal areas were segregated from those to motor areas of cortex. Thus, basal-ganglia outputs to prefrontal cortex are both extensive and topographically organized, forming a rich anatomical substrate for basal-ganglia influences on the cognitive operations of the frontal lobe.

Complex defects in neuronal signaling may underlie the dysfunctions that characterize schizophrenia. Using cDNA microarrays, we discovered that the transcript encoding regulator of G-protein signaling 4 (RGS4) was the most consistently and significantly decreased in the prefrontal cortex of all schizophrenic subjects examined. The expression levels of ten other RGS family members represented on the microarrays were unchanged and hierarchical data analysis revealed that as a group, 274 genes associated with G-protein signaling were unchanged. Quantitative in situ hybridization verified the microarray RGS4 data, and demonstrated highly correlated decreases in RGS4 expression across three cortical areas of ten subjects with schizophrenia. RGS4 expression was not altered in the prefrontal cortex of subjects with major depressive disorder or in monkeys treated chronically with haloperidol. Interestingly, targets for 70 genes mapped to the major schizophrenia susceptibility locus 1q21–22 were present on the microarrays, of which only RGS4 gene expression was consistently altered. The combined data indicate that a decrease in RGS4 expression may be a common and specific feature of schizophrenia, which could be due either to genetic factors or a disease- specific adaptation, both of which could affect neuronal signaling.

Dysfunction of the dorsal prefrontal cortex (PFC) in schizophrenia may be associated with alterations in the regulation of brain metabolism. To determine whether abnormal expression of genes encoding proteins involved in cellular metabolism contributes to this dysfunction, we used cDNA microarrays to perform gene expression profiling of all major metabolic pathways in postmortem samples of PFC area 9 from 10 subjects with schizophrenia and 10 matched control subjects. Genes comprising 71 metabolic pathways were assessed in each pair, and only five pathways showed consistent changes (decreases) in subjects with schizophrenia. Reductions in expression were identified for genes involved in the regulation of ornithine and polyamine metabolism, the mitochondrial malate shuttle system, the transcarboxylic acid cycle, aspartate and alanine metabolism, and ubiquitin metabolism. Interestingly, although most of the metabolic genes that were consistently decreased across subjects with schizophrenia were not similarly decreased in haloperidol-treated monkeys, the transcript encoding the cytosolic form of malate dehydrogenase displayed prominent drug-associated increases in expression compared with untreated animals. These molecular analyses implicate a highly specific pattern of metabolic alterations in the PFC of subjects with schizophrenia and raise the possibility that antipsychotic medications may exert a therapeutic effect, in part, by normalizing some of these changes.

The "Lister family complex," an extensive Swedish family with autosomal dominant Parkinson disease, was first described by Henry Mjönes in 1949. On the basis of clinical, molecular, and genealogic findings on a Swedish and an American family branch, we provide genetic evidence that explains the parkinsonism in this extended pedigree.Clinical methods included a detailed neurologic exam of the proband of the Swedish family branch, MRI, and ([123]I)-beta-CIT SPECT imaging. Genomic analysis included alpha-synuclein sequencing, SNCA real-time PCR dosage, chromosome 4q21 microsatellite analysis, and high-resolution microarray genotyping. The geographic origin and ancestral genealogy of each pedigree were researched in the medical literature and Swedish Parish records.The proband of the Swedish family branch presented with early dysautonomia followed by progressive parkinsonism suggestive of multiple system atrophy. Molecular analysis identified a genomic duplication of <0.9 Mb encompassing alpha-synuclein and multimerin 1 (SNCA-MMRN1), flanked by long interspersed repeat sequences (LINE L1). Microsatellite variability within the genomic interval was identical to that previously described for a Swedish American family with an alpha-synuclein triplication. Subsequent genealogic investigation suggested that both kindreds are ancestrally related to the Lister family complex.Our findings extend clinical, genetic, and genealogical research on the Lister family complex. The genetic basis for familial parkinsonism is an SNCA-MMRN11 multiplication, but whereas SNCA-MMRN1 duplication in the Swedish proband (Branch J) leads to late-onset autonomic dysfunction and parkinsonism, SNCA-MMRN1 triplication in the Swedish American family (Branch I) leads to early-onset Parkinson disease and dementia.

Hakon Hakonarson and colleagues report a genome-wide copy number variation study in 3,506 cases of attention-deficit hyperactivity disorder. The authors identify a statistically significant enrichment of CNVs impacting metabotropic glutamate receptor genes. Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) is a common, heritable neuropsychiatric disorder of unknown etiology. We performed a whole-genome copy number variation (CNV) study on 1,013 cases with ADHD and 4,105 healthy children of European ancestry using 550,000 SNPs. We evaluated statistically significant findings in multiple independent cohorts, with a total of 2,493 cases with ADHD and 9,222 controls of European ancestry, using matched platforms. CNVs affecting metabotropic glutamate receptor genes were enriched across all cohorts (P = 2.1 × 10−9). We saw GRM5 (encoding glutamate receptor, metabotropic 5) deletions in ten cases and one control (P = 1.36 × 10−6). We saw GRM7 deletions in six cases, and we saw GRM8 deletions in eight cases and no controls. GRM1 was duplicated in eight cases. We experimentally validated the observed variants using quantitative RT-PCR. A gene network analysis showed that genes interacting with the genes in the GRM family are enriched for CNVs in ∼10% of the cases (P = 4.38 × 10−10) after correction for occurrence in the controls. We identified rare recurrent CNVs affecting glutamatergic neurotransmission genes that were overrepresented in multiple ADHD cohorts.