Translation canonically begins at a single AUG and terminates at the stop codon, generating one protein species per transcript. However, some transcripts may use alternative initiation sites or sustain translation past their stop codon, generating multiple protein isoforms. Through other mechanisms such as alternative splicing, both neurons and glia exhibit remarkable transcriptional diversity, and these other forms of post-transcriptional regulation are impacted by neural activity and disease. Here, using ribosome footprinting, we demonstrate that alternative translation is likewise abundant in the central nervous system and modulated by stimulation and disease. First, in neuron/glia mixed cultures we identify hundreds of transcripts with alternative initiation sites and confirm the protein isoforms corresponding to a subset of these sites by mass spectrometry. Many of them modulate their alternative initiation in response to KCl stimulation, indicating activity-dependent regulation of this phenomenon. Next, we detect several transcripts undergoing stop codon readthrough thus generating novel C-terminally-extended protein isoforms in vitro. Further, by coupling Translating Ribosome Affinity Purification to ribosome footprinting to enable cell-type specific analysis in vivo, we find that several of both neuronal and astrocytic transcripts undergo readthrough in the mouse brain. Functional analyses of one of these transcripts, Aqp4, reveals readthrough confers perivascular localization, indicating readthrough can be a conserved mechanism to modulate protein function. Finally, we show that AQP4 readthrough is disrupted in multiple gliotic disease models. Our study demonstrates the extensive and regulated use of alternative translational events in the brain and indicates that some of these events alter key protein properties.

Background: In previous studies, we observed decreased neuronal and increased astrocyte proportions in AD cases in parietal brain cortex by using a deconvolution method for bulk RNA-seq. These findings suggested that genetic risk factors associated with AD etiology have a specific effect in the cellular composition of AD brains. The goal of this study is to investigate if there are genetic determinants for brain cell compositions. Methods: Using cell type composition inferred from transcriptome as a disease status proxy, we performed cell type association analysis to identify novel loci related to cellular population changes in disease cohort. We imputed and merged genotyping data from seven studies in total of 1,669 samples and derived major CNS cell type proportions from cortical RNAseq data. We also inferred RNA transcript integrity number (TIN) to account for RNA quality variances. The model we performed in the analysis was: normalized neuronal proportion ~ SNP + Age + Gender + PC1 + PC2 + median TIN. Results: A variant rs1990621 located in the TMEM106B gene region was significantly associated with neuronal proportion (p=6.40x10-07) and replicated in an independent dataset. The association became more significant as we combined both discovery and replication datasets in multi-tissue meta-analysis (p=9.42x10-09) and joint analysis (p=7.66x10-10). This variant is in high LD with rs1990622 (r2 = 0.98) which was previously identified as a protective variant in FTD cohorts. Further analyses indicated that this variant is associated with increased neuronal proportion in participants with neurodegenerative disorders, not only in AD cohort but also in cognitive normal elderly cohort. However, this effect was not observed in a younger schizophrenia cohort with a mean age of death < 65. The second most significant loci for neuron proportion was APOE, which suggested that using neuronal proportion as an informative endophenotype could help identify loci associated with neurodegeneration. Conclusion: This result suggested a common pathway involving TMEM106B shared by aging groups in the present or absence of neurodegenerative pathology may contribute to cognitive preservation and neuronal protection.

Rates of cognitive decline in Alzheimers disease (AD) are extremely heterogeneous, with ages of symptom onset ranging from age 40 to 100 years and conversion from mild cognitive impairment to AD dementia taking 2 to 20 years. Development of biomarkers for amyloid-beta (AB) and tau protein aggregates, the hallmark pathologies of AD, have improved patient monitoring/stratification and drug development, but they still only explain 20 to 40% of the variance in cognitive impairment (CI) in AD. To discover additional molecular drivers and biomarkers of AD dementia, we perform cerebrospinal fluid (CSF) proteomics on 3,416 individuals from six deeply phenotyped prospective AD case-control cohorts. We identify synapse proteins as the strongest correlates of CI, independent of AB; and tau. Using machine learning we derive the CSF YWHAG:NPTX2 synapse protein ratio, a robust correlate of CI, which explains 27% of the variance in CI beyond CSF PTau181:AB42, 10% beyond tau PET, and 50% beyond CSF NfL in AB positive individuals. We find YWHAG:NPTX2 also increases with normal aging as early as age 20 and increases at a faster rate in APOE4 carriers and autosomal dominant AD mutation carriers. Most notably, YWHAG:NPTX2 positive individuals (top 25th percentile) are 15 times (HR=15.4 [10.6 to 22.2]) more likely to experience cognitive decline over 15 years compared to YWHAG:NPTX2 negative individuals (bottom 25th percentile), and this rises to 19 times (HR=18.9 [10.83 to 32.9]) with additional stratification by AB and phosphorylated tau status. Lastly, we perform plasma proteomics on 4,245 individuals to develop a plasma-based signature of CI which partly recapitulates CSF YWHAG:NPTX2. Overall, our findings underscore CSF YWHAG:NPTX2 and the corresponding plasma signature as robust prognostic biomarkers for AD onset and progression beyond gold-standard biomarkers of AB, tau, and neurodegeneration and implicate synapse dysfunction as a core driver of AD dementia.