The genetic factors predisposing to essential tremor (ET), of one of the most common movement disorders, remains largely unknown. While current studies have examined the contribution of both common and rare genetic variants, very few have investigated the ET transcriptome. To understand pathways and genes relevant to ET, we used an RNA sequencing approach to interrogate the transcriptome of two cerebellar regions, the dentate nucleus and cerebellar cortex, in 16 cases and 16 age- and sex-matched controls. Additionally, a phenome-wide association study (pheWAS) of the dysregulated genes was conducted, and a genome-wide gene association study (GWGAS) was done to identify pathways overlapping with the transcriptomic data. We identified several novel dysregulated genes including CACNA1A, a calcium voltage-gated channel implicated in ataxia. Furthermore, several pathways including axon guidance, olfactory loss, and calcium channel activity were significantly enriched. A subsequent examination of the ET GWGAS data (N=7,154) also flagged genes involved in calcium ion-regulated exocytosis of neurotransmitters to be significantly enriched. Interestingly, the pheWAS identified that the dysregulated gene, SHF, is associated with a blood pressure medication (P=9.3E-08), which is commonly used to reduce tremor in ET patients. Lastly, it is also notable that the dentate nucleus and cerebellar cortex have different transcriptomes, suggesting that different regions of the cerebellum have spatially different transcriptomes.

ABSTRACT Essential tremor (ET) is one of the most common movement disorders, affecting nearly 5% of individuals over 65 years old. Despite its high heritability, few genetic risk loci for ET have been identified. Recent advances in pharmacogenomics have generated a wealth of data that led to the identification of molecular signatures in response to hundreds of chemical compounds. Among the different forms of data, gene expression has proven to be quite successful for the inference of drug response in cell models. We sought to leverage this approach in the context of ET where many patients are responsive two drugs: propranolol and primidone. Propranolol- and primidone-specific transcriptomic drug targets, as well as convergent gene targets across both drugs, could provide insights into the pathogenesis of ET and identify possible targets of interest for future treatments. In this study, cerebellar DAOY and neural progenitor cells were treated for 5 days with clinical concentrations of propranolol and primidone, after which RNA-sequencing was used to identify differentially expressed genes. The expression of genes previously implicated in genetic and transcriptomic studies of ET and other movement disorders, such as TRAPPC11 , were significantly upregulated by propranolol. Pathway enrichment analysis identified multiple terms related to calcium signalling, endosomal sorting, axon guidance, and neuronal morphology. Convergent differentially expressed genes across all treatments and cell types were also found to be significantly more mutationally constrained, implying that they might harbour rare deleterious variants implicated in disease. Furthermore, these genes were enriched within cell types having high expression of ET related genes in both cortical and cerebellar tissues. Altogether, our results highlight potential cellular and molecular mechanisms associated with tremor reduction and identify relevant genetic biomarkers for drug-responsiveness in ET.

Despite considerable efforts to identify disease-causing and risk factors contributing to essential tremor (ET), no comprehensive assessment of heritable risk has been performed to date. We use GREML-LDMS to estimate narrow-sense heritability due to additive effects (h2) and GREMLd to calculate non-additive heritability due to dominance variance using data from 1,748 ET cases and 5,302 controls. We evaluate heritability per 10Mb segments across the genome and assess the impact of Parkinson's disease (PD) misdiagnosis on heritability estimates. We apply genetic risk score (GRS) from PD and restless legs syndrome (RLS) to explore its contribution to ET risk and further assess genetic correlations with 832 traits by Linkage disequilibrium score regression. Our results show for the first time that ET is a highly heritable condition (h2=0.755, s.e=0.075) in which additive common variability plays a prominent role. In contrast, dominance variance shows insignificant effect on the overall estimates. Heritability split by 10Mb regions revealed increased estimates at chromosomes 6 and 21 suggesting that these may contain causative risk variants influencing susceptibility to ET. The proportion of genetic variance due to PD misdiagnosed cases was estimated to be 5.33%. PD and RLS GRS were not significantly predictive of ET case-control status demonstrating that despite overlapping symptomatology, ET does not seem to share genetic etiologies with PD or RLS. Our study suggests that most of ET genetic component is yet to be discovered and future GWAS will reveal additional risk factors that will improve our understanding of this disabling disorder.