We describe the Phase II HapMap, which characterizes over 3.1 million human single nucleotide polymorphisms (SNPs) genotyped in 270 individuals from four geographically diverse populations and includes 25–35% of common SNP variation in the populations surveyed. The map is estimated to capture untyped common variation with an average maximum r2 of between 0.9 and 0.96 depending on population. We demonstrate that the current generation of commercial genome-wide genotyping products captures common Phase II SNPs with an average maximum r2 of up to 0.8 in African and up to 0.95 in non-African populations, and that potential gains in power in association studies can be obtained through imputation. These data also reveal novel aspects of the structure of linkage disequilibrium. We show that 10–30% of pairs of individuals within a population share at least one region of extended genetic identity arising from recent ancestry and that up to 1% of all common variants are untaggable, primarily because they lie within recombination hotspots. We show that recombination rates vary systematically around genes and between genes of different function. Finally, we demonstrate increased differentiation at non-synonymous, compared to synonymous, SNPs, resulting from systematic differences in the strength or efficacy of natural selection between populations. The International HapMap Consortium has produced a second-generation version of its remarkable haplotype map of the human genome. The Phase II HapMap charts human genetic variation even more extensively than the original, tripling of the number of genetic markers included. The original HapMap was instrumental in making large-scale genome-wide association studies possible. An indication of how this type of work will be extended with 'HapMap2' is presented in this issue: Sabeti et al. build on previous work detecting signs of positive natural selection on human genes. With many more markers now available, they have discovered three examples of apparent population-specific selection based on geographic area — involving gene pairs linked to Lassa virus in West Africa, skin pigmentation in Europe and hair follicle development in Asia — and they speculate on how these may relate to human biology. A consortium reports the tripling of the number of genetic markers in Phase II of the International HapMap Project. This map of human genetic variation will continue to revolutionize discovery of susceptibility loci in common genetic diseases, and study of genes under selection in humans.

Abstract

 Three glutamate transporters have been identified in rat, including astroglial transporters GLAST and GLT-1 and a neuronal transporter EAAC1. Here we demonstrate that inhibition of the synthesis of each glutamate transporter subtype using chronic antisense oligonucleotide administration, in vitro and in vivo, selectively and specifically reduced the protein expression and function of glutamate transporters. The loss of glial glutamate transporters GLAST or GLT-1 produced elevated extracellular glutamate levels, neurodegeneration characteristic of excitotoxicity, and a progressive paralysis. The loss of the neuronal glutamate transporter EAAC1 did not elevate extracellular glutamate in the striatum but did produce mild neurotoxicity and resulted in epilepsy. These studies suggest that glial glutamate transporters provide the majority of functional glutamate transport and are essential for maintaining low extracellular glutamate and for preventing chronic glutamate neurotoxicity.

The cellular and subcellular distributions of the glutamate transporter subtypes EAAC1, GLT-1, and GLAST in the rat CNS were demonstrated using anti-peptide antibodies that recognize the C-terminal domains of each transporter. On immunoblots, the antibodies specifically recognize proteins of 65-73 kDa in total brain homogenates. Immunocytochemistry shows that glutamate transporter subtypes are distributed differentially within neurons and astroglia. EAAC1 is specific for certain neurons, such as large pyramidal cortical neurons and Purkinje cells, but does not appear to be selective for glutamatergic neurons. GLT-1 is localized only to astroglia. GLAST is found in both neurons and astroglia. The regional localizations are unique to each transporter subtype. EAAC1 is highly enriched in the cortex, hippocampus, and caudate-putamen and is confined to pre- and postsynaptic elements. GLT-1 is distributed in astrocytes throughout the brain and spinal cord. GLAST is most abundant in Bergmann glia in the cerebellar molecular layer brain, but is also present in the cortex, hippocampus, and deep cerebellar nuclei.

Neural stem cells are reported to lie in a vascular niche, but there is no direct evidence for a functional relationship between the stem cells and blood vessel component cells. We show that endothelial cells but not vascular smooth muscle cells release soluble factors that stimulate the self-renewal of neural stem cells, inhibit their differentiation, and enhance their neuron production. Both embryonic and adult neural stem cells respond, allowing extensive production of both projection neuron and interneuron types in vitro. Endothelial coculture stimulates neuroepithelial cell contact, activating Notch and Hes 1 to promote self-renewal. These findings identify endothelial cells as a critical component of the neural stem cell niche.

Trimeric and tetrameric short tandem repeats (STRs) represent a rich source of highly polymorphic markers in the human genome that may be studied with the polymerase chain reaction (PCR). We report the analysis of a multilocus genotype survey of 97–380 chromosomes in U.S. Black, White, Mexican-American, and Asian populations at five STR loci located on chromosomes 1, 4, 11, and X. The heterozygote frequencies of the loci ranged from 0.36 to 0.91 and the number of alleles from 6 to 20 for the 20 population and locus combinations. Relative allele frequencies exhibited differences between populations and unimodal, bimodal, and complex distributions. Although deviations were noted at some locus-population test combinations, genotype data from the loci were consistent overall with Hardy-Weinberg equilibrium by three tests. Population subheterogeneity within each ethnic group was not detected by two additional tests. No mutations were detected in a total of 860 meioses for two loci studied in the CEPH kindreds and five loci studied in other families. An indirect estimate of the mutation rates gave values from 2.3 × 10−5 to 15.9 × 10−5 for the five loci. Higher mutation rates appear to be associated with greater numbers of tandem repeats in the core motif. The most frequent genotype for all five loci combined appears to have a frequency of 7.59 × 10−4. Together, these results suggest that trimeric and tetrameric STR loci are useful markers for the study of new mutations and genetic linkage analysis and for application to personal identification in the medical and forensic sciences.

Here we report the Simons Genome Diversity Project data set: high quality genomes from 300 individuals from 142 diverse populations. These genomes include at least 5.8 million base pairs that are not present in the human reference genome. Our analysis reveals key features of the landscape of human genome variation, including that the rate of accumulation of mutations has accelerated by about 5% in non-Africans compared to Africans since divergence. We show that the ancestors of some pairs of present-day human populations were substantially separated by 100,000 years ago, well before the archaeologically attested onset of behavioural modernity. We also demonstrate that indigenous Australians, New Guineans and Andamanese do not derive substantial ancestry from an early dispersal of modern humans; instead, their modern human ancestry is consistent with coming from the same source as that of other non-Africans. Deep whole-genome sequencing of 300 individuals from 142 diverse populations provides insights into key population genetic parameters, shows that all modern human ancestry outside of Africa including in Australasians is consistent with descending from a single founding population, and suggests a higher rate of accumulation of mutations in non-Africans compared to Africans since divergence. Three international collaborations reporting in this issue of Nature describe 787 high-quality genomes from individuals from geographically diverse populations. David Reich and colleagues analysed whole-genome sequences of 300 individuals from 142 populations. Their findings include an accelerated estimated rate of accumulation of mutations in non-Africans compared to Africans since divergence, and that indigenous Australians, New Guineans and Andamanese do not derive substantial ancestry from an early dispersal of modern humans but from the same source as that of other non-Africans. Eske Willerlsev and colleagues obtained whole-genome data for 83 Aboriginal Australians and 25 Papuans from the New Guinea Highlands. They estimate that Aboriginal Australians and Papuans diverged from Eurasian populations 51,000–72,000 years ago, following a single out-of-Africa dispersal. Luca Pagani et al. report on a dataset of 483 high-coverage human genomes from 148 populations worldwide, including 379 new genomes from 125 populations. Their analyses support the model by which all non-African populations derive most of their genetic ancestry from a single recent migration out of Africa, although a Papuan contribution suggests a trace of an earlier human expansion.

Identifying genomic regions that have been targets of natural selection remains one of the most important and challenging areas of research in genetics. To this end, we report an analysis of 26,530 single nucleotide polymorphisms (SNPs) with allele frequencies that were determined in three populations. Specifically, we calculated a measure of genetic differentiation, F(ST), for each locus and examined its distribution at the level of the genome, the chromosome, and individual genes. Through a variety of analyses, we have found statistically significant evidence supporting the hypothesis that selection has influenced extant patterns of human genetic variation. Importantly, by contrasting the F(ST) of individual SNPs to the empirical genome-wide distribution of F(ST), our results are not confounded by tenuous assumptions of population demographic history. Furthermore, we have identified 174 candidate genes with distribution of genetic variation that indicates that they have been targets of selection. Our work provides a first generation natural selection map of the human genome and provides compelling evidence that selection has shaped extant patterns of human genomic variation.

Abstract

 Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease that is characterized by selective upper and lower motor neuron degeneration, the pathogenesis of which is unknown. About 60%–70% of sporadic ALS patients have a 30%–95% loss of the astroglial glutamate transporter EAAT2 (excitatory amino acid transporter 2) protein in motor cortex and spinal cord. Loss of EAAT2 leads to increased extracellular glutamate and excitotoxic neuronal degeneration. Multiple abnormal EAAT2 mRNAs, including intron-retention and exon-skipping, have now been identified from the affected areas of ALS patients. The aberrant mRNAs were highly abundant and were found only in neuropathologically affected areas of ALS patients but not in other brain regions. They were found in 65% of sporadic ALS patients but were not found in nonneurologic disease or other disease controls. They were also detectable in the cerebrospinal fluid (CSF) of living ALS patients, early in the disease. In vitro expression studies suggest that proteins translated from these aberrant mRNAs may undergo rapid degradation and/or produce a dominant negative effect on normal EAAT2 resulting in loss of protein and activity. These findings suggest that the loss of EAAT2 in ALS is due to aberrant mRNA and that these aberrant mRNAs could result from RNA processing errors. Aberrant RNA processing could be important in the pathophysiology of neurodegenerative disease and in excitotoxicity. The presence of these mRNA species in ALS CSF may have diagnostic utility.