Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a genetically heterogeneous neurodegenerative syndrome hallmarked by adult-onset loss of motor neurons. We performed exome sequencing of 252 familial ALS (fALS) and 827 control individuals. Gene-based rare variant analysis identified an exome-wide significant enrichment of eight loss-of-function (LoF) mutations in TBK1 (encoding TANK-binding kinase 1) in 13 fALS pedigrees. No enrichment of LoF mutations was observed in a targeted mutation screen of 1,010 sporadic ALS and 650 additional control individuals. Linkage analysis in four families gave an aggregate LOD score of 4.6. In vitro experiments confirmed the loss of expression of TBK1 LoF mutant alleles, or loss of interaction of the C-terminal TBK1 coiled-coil domain (CCD2) mutants with the TBK1 adaptor protein optineurin, which has been shown to be involved in ALS pathogenesis. We conclude that haploinsufficiency of TBK1 causes ALS and fronto-temporal dementia.

Objectives

 Biomarkers for the diagnosis of motoneuron diseases (MND) are urgently needed to improve the diagnostic pathway, patient stratification and monitoring. The aim of this study was to validate candidate markers for MND in cerebrospinal fluid (CSF) and specify cut-offs based on large patient cohorts by especially considering patients who were seen under the initial differential diagnosis (MND mimics). 

Methods

 In a prospective study, we investigated CSF of 455 patients for neurofilament light chain (NfL), phosphorylated heavy chain (pNfH), tau protein (Tau) and phospho-tau protein (pTau). Analysed cohorts included patients with apparently sporadic and familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and primary lateral sclerosis (PLS) (MND, n=253), MND mimics (n=85) and neurological control groups. Cut-off values were specified, and diagnostic performance and correlation with progression were analysed. 

Results

 Nfs were significantly higher in the MND group compared to the control groups, whereas Tau and pTau did not differ. At a cut-off level of 2200 pg/mL for NfL, a 77% diagnostic sensitivity (CI 71% to 82%), 85% specificity (CI 79% to 90%) and 87% positive predictive value (PPV) (CI 81% to 91%) were achieved. For pNfH, we calculated 83% sensitivity (CI 78% to 88%), 77% specificity (CI 71% to 83%) and 82% PPV (CI 77% to 86%) at 560 pg/mL. There were no significant differences between sporadic and genetic ALS or PLS. Nf levels were elevated at early disease stage, and correlated moderately with MND progression and duration. 

Conclusions

 Neurofilaments in CSF have a high relevance for the differential diagnosis of MNDs and should be included in the diagnostic work-up of patients. Their value as prognostic markers should be investigated further.

Objective To determine the diagnostic and prognostic performance of serum neurofilament light chain (NFL) in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Methods This single-centre, prospective, longitudinal study included the following patients: 124 patients with ALS; 50 patients without neurodegenerative diseases; 44 patients with conditions included in the differential diagnosis of ALS (disease controls); 65 patients with other neurodegenerative diseases (20 with frontotemporal dementia, 20 with Alzheimer’s disease, 19 with Parkinson’s disease, 6 with Creutzfeldt-Jakob disease (CJD)). Serum NFL levels were measured using the ultrasensitive single molecule array (Simoa) technology. Results Serum NFL levels were higher in ALS in comparison to all other categories except for CJD. A cut-off level of 62 pg/mL discriminated between ALS and all other conditions with 85.5% sensitivity (95% CI 78% to 91.2%) and 81.8% specificity (95% CI 74.9% to 87.4%). Among patients with ALS, serum NFL correlated positively with disease progression rate (r s =0.336, 95% CI 0.14 to 0.506, p=0.0008), and higher levels were associated with shorter survival (p=0.0054). Serum NFL did not differ among patients in different ALS pathological stages as evaluated by diffusion-tensor imaging, and in single patients NFL levels were stable over time. Conclusions Serum NFL is increased in ALS in comparison to other conditions and can serve as diagnostic and prognostic biomarker. We established a cut-off level for the diagnosis of ALS.

Neurofilaments are elevated in the cerebrospinal fluid (CSF) and serum of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) patients. However, timing of this increase is unknown. To characterize the premanifest disease phase, we performed a cross-sectional study on asymptomatic (n = 12) and symptomatic (n = 64) ALS mutation carriers and family controls (n = 19). Neurofilaments NF-L (neurofilament-light chain) and pNF-H (phosphorylated neurofilament-heavy chain) are normal before symptom onset and increased by at least an order of magnitude at early symptom onset in CSF (pNF-H) or serum and CSF (NF-L). Thus, blood and CSF neurofilament levels are linked to the symptomatic phase of ALS and might serve as objective markers of structural damage to the nervous system.

Heterozygous missense mutations in the N-terminal motor or coiled-coil domains of the kinesin family member 5A (KIF5A) gene cause monogenic spastic paraplegia (HSP10) and Charcot-Marie-Tooth disease type 2 (CMT2). Moreover, heterozygous de novo frame-shift mutations in the C-terminal domain of KIF5A are associated with neonatal intractable myoclonus, a neurodevelopmental syndrome. These findings, together with the observation that many of the disease genes associated with amyotrophic lateral sclerosis disrupt cytoskeletal function and intracellular transport, led us to hypothesize that mutations in KIF5A are also a cause of amyotrophic lateral sclerosis. Using whole exome sequencing followed by rare variant analysis of 426 patients with familial amyotrophic lateral sclerosis and 6137 control subjects, we detected an enrichment of KIF5A splice-site mutations in amyotrophic lateral sclerosis (2/426 compared to 0/6137 in controls; P = 4.2 × 10-3), both located in a hot-spot in the C-terminus of the protein and predicted to affect splicing exon 27. We additionally show co-segregation with amyotrophic lateral sclerosis of two canonical splice-site mutations in two families. Investigation of lymphoblast cell lines from patients with KIF5A splice-site mutations revealed the loss of mutant RNA expression and suggested haploinsufficiency as the most probable underlying molecular mechanism. Furthermore, mRNA sequencing of a rare non-synonymous missense mutation (predicting p.Arg1007Gly) located in the C-terminus of the protein shortly upstream of the splice donor of exon 27 revealed defective KIF5A pre-mRNA splicing in respective patient-derived cell lines owing to abrogation of the donor site. Finally, the non-synonymous single nucleotide variant rs113247976 (minor allele frequency = 1.00% in controls, n = 6137), also located in the C-terminal region [p.(Pro986Leu) in exon 26], was significantly enriched in familial amyotrophic lateral sclerosis patients (minor allele frequency = 3.40%; P = 1.28 × 10-7). Our study demonstrates that mutations located specifically in a C-terminal hotspot of KIF5A can cause a classical amyotrophic lateral sclerosis phenotype, and underline the involvement of intracellular transport processes in amyotrophic lateral sclerosis pathogenesis.

Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) encompasses behavioral variant frontotemporal dementia (bvFTD), progressive supranuclear palsy, corticobasal syndrome/degeneration, and primary progressive aphasias (PPAs). We cross-validated fluid biomarkers and neuroimaging.