Cancers arise from multiple acquired mutations, which presumably occur over many years. Early stages in cancer development might be present years before cancers become clinically apparent.

Patrick Sullivan and colleagues report a multi-stage genome-wide association study for schizophrenia in a Swedish population. They identify 13 loci newly associated with schizophrenia. Schizophrenia is an idiopathic mental disorder with a heritable component and a substantial public health impact. We conducted a multi-stage genome-wide association study (GWAS) for schizophrenia beginning with a Swedish national sample (5,001 cases and 6,243 controls) followed by meta-analysis with previous schizophrenia GWAS (8,832 cases and 12,067 controls) and finally by replication of SNPs in 168 genomic regions in independent samples (7,413 cases, 19,762 controls and 581 parent-offspring trios). We identified 22 loci associated at genome-wide significance; 13 of these are new, and 1 was previously implicated in bipolar disorder. Examination of candidate genes at these loci suggests the involvement of neuronal calcium signaling. We estimate that 8,300 independent, mostly common SNPs (95% credible interval of 6,300–10,200 SNPs) contribute to risk for schizophrenia and that these collectively account for at least 32% of the variance in liability. Common genetic variation has an important role in the etiology of schizophrenia, and larger studies will allow more detailed understanding of this disorder.

Schizophrenia is a common disease with a complex aetiology, probably involving multiple and heterogeneous genetic factors. Here, by analysing the exome sequences of 2,536 schizophrenia cases and 2,543 controls, we demonstrate a polygenic burden primarily arising from rare (less than 1 in 10,000), disruptive mutations distributed across many genes. Particularly enriched gene sets include the voltage-gated calcium ion channel and the signalling complex formed by the activity-regulated cytoskeleton-associated scaffold protein (ARC) of the postsynaptic density, sets previously implicated by genome-wide association and copy-number variation studies. Similar to reports in autism, targets of the fragile X mental retardation protein (FMRP, product of FMR1) are enriched for case mutations. No individual gene-based test achieves significance after correction for multiple testing and we do not detect any alleles of moderately low frequency (approximately 0.5 to 1 per cent) and moderately large effect. Taken together, these data suggest that population-based exome sequencing can discover risk alleles and complements established gene-mapping paradigms in neuropsychiatric disease. Exome sequence analysis of more than 5,000 schizophrenia cases and controls identifies a polygenic burden primarily arising from rare, disruptive mutations distributed across many genes, among which are those encoding voltage-gated calcium ion channels and the signalling complex formed by the ARC protein of the postsynaptic density; as in autism, mutations were also found in homologues of known targets of the fragile X mental retardation protein. Two major sequencing studies of the exome — the protein-coding portion of the genome — in schizophrenia sufferers and their relatives are published in this issue of Nature. Together they provide strong pointers to specific pathogenic mechanisms that disrupt the glutamatergic synapses in schizophrenia. In particular, mutations that influence the action of the scaffold protein ARC (activity-regulated cytoskeleton-associated protein) are prominently involved, as are mutations in targets of the fragile X mental retardation protein (FMRP). Defects in FMRP have previously been shown to be associated with autism spectrum disorders.

The causes of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a devastating human neurodegenerative disease, are poorly understood, although the protein TDP-43 has been suggested to have a critical role in disease pathogenesis. Here we show that ataxin 2 (ATXN2), a polyglutamine (polyQ) protein mutated in spinocerebellar ataxia type 2, is a potent modifier of TDP-43 toxicity in animal and cellular models. ATXN2 and TDP-43 associate in a complex that depends on RNA. In spinal cord neurons of ALS patients, ATXN2 is abnormally localized; likewise, TDP-43 shows mislocalization in spinocerebellar ataxia type 2. To assess the involvement of ATXN2 in ALS, we analysed the length of the polyQ repeat in the ATXN2 gene in 915 ALS patients. We found that intermediate-length polyQ expansions (27–33 glutamines) in ATXN2 were significantly associated with ALS. These data establish ATXN2 as a relatively common ALS susceptibility gene. Furthermore, these findings indicate that the TDP-43–ATXN2 interaction may be a promising target for therapeutic intervention in ALS and other TDP-43 proteinopathies. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS), also known as Lou Gehrig's disease, is a common adult-onset neurodegenerative disease for which there is no cure. ALS is mostly sporadic but approximately 10% of cases have a familial component, most commonly the SOD1 (superoxide dismutase) gene. Yet SOD1 mutations account for only about 2% of cases in total, so the search for further ALS risk factors continues. The protein TDP-43 is thought to play a role — as yet undetermined — in ALS pathogenesis, and Elden et al. show that ataxin-2, a polyglutamine (polyQ) protein mutated in spinocerebellar ataxia type 2, is a potent modifier of TDP-43 toxicity in animal and cellular models. Analysis of DNA from 915 individuals shows ATXN2 to be a relatively common ALS susceptibility gene, accounting for up to 4.7% of ALS cases. These findings point to the TDP-43/ataxin-2 interaction as a possible target for therapeutic intervention. The causes of the neurodegenerative disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are poorly understood, although the protein TDP-43 seems to be involved. These authors show that the polyglutamine-containing protein ataxin 2 interacts with TDP-43 and is a potent modifier of TDP-43 toxicity. Moreover, intermediate-length polyglutamine expansions in the ataxin 2 gene significantly associate with ALS. These data establish the ataxin 2 gene as a new and relatively common ALS disease susceptibility gene.

Activated microglia have a key role in the brain's immune response to neuronal degeneration. The transition of microglia from the normal resting state to the activated state is associated with an increased expression of receptors known as peripheral benzodiazepine binding sites, which are abundant on cells of mononuclear phagocyte lineage. We used brain imaging to study expression of these sites in healthy individuals and patients with Alzheimer's disease.We studied 15 normal individuals (age 32-80 years), eight patients with Alzheimer's disease, and one patient with minimal cognitive impairment. Quantitative in-vivo measurements of glial activation were obtained with positron emission tomography (PET) and carbon-11-labelled (R)-PK11195, a specific ligand for the peripheral benzodiazepine binding site.In normal individuals, regional [11C](R)-PK11195 binding did not significantly change with age, except in the thalamus, where an age-dependent increase was found. By contrast, patients with Alzheimer's disease showed significantly increased regional [11C](R)-PK11195 binding in the entorhinal, temporoparietal, and cingulate cortex.In-vivo detection of increased [11C](R)-PK11195 binding in Alzheimer-type dementia, including mild and early forms, suggests that microglial activation is an early event in the pathogenesis of the disease.

The CNV analysis group of the Psychiatric Genomic Consortium analyzes a large schizophrenia cohort to examine genomic copy number variants (CNVs) and disease risk. They find an enrichment of CNV burden in cases versus controls and identify 8 genome-wide significant loci as well as novel suggestive loci conferring either risk or protection to schizophrenia. Copy number variants (CNVs) have been strongly implicated in the genetic etiology of schizophrenia (SCZ). However, genome-wide investigation of the contribution of CNV to risk has been hampered by limited sample sizes. We sought to address this obstacle by applying a centralized analysis pipeline to a SCZ cohort of 21,094 cases and 20,227 controls. A global enrichment of CNV burden was observed in cases (odds ratio (OR) = 1.11, P = 5.7 × 10−15), which persisted after excluding loci implicated in previous studies (OR = 1.07, P = 1.7 × 10−6). CNV burden was enriched for genes associated with synaptic function (OR = 1.68, P = 2.8 × 10−11) and neurobehavioral phenotypes in mouse (OR = 1.18, P = 7.3 × 10−5). Genome-wide significant evidence was obtained for eight loci, including 1q21.1, 2p16.3 (NRXN1), 3q29, 7q11.2, 15q13.3, distal 16p11.2, proximal 16p11.2 and 22q11.2. Suggestive support was found for eight additional candidate susceptibility and protective loci, which consisted predominantly of CNVs mediated by nonallelic homologous recombination.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating neurological disease with no effective treatment. We report the results of a moderate-scale sequencing study aimed at increasing the number of genes known to contribute to predisposition for ALS. We performed whole-exome sequencing of 2869 ALS patients and 6405 controls. Several known ALS genes were found to be associated, and TBK1 (the gene encoding TANK-binding kinase 1) was identified as an ALS gene. TBK1 is known to bind to and phosphorylate a number of proteins involved in innate immunity and autophagy, including optineurin (OPTN) and p62 (SQSTM1/sequestosome), both of which have also been implicated in ALS. These observations reveal a key role of the autophagic pathway in ALS and suggest specific targets for therapeutic intervention.

Microglial activation is implicated in the pathogenesis of ALS and can be detected in animal models of the disease that demonstrate increased survival when treated with anti-inflammatory drugs. PK11195 is a ligand for the “peripheral benzodiazepine binding site” expressed by activated microglia. Ten ALS patients and 14 healthy controls underwent [11C](R)-PK11195 PET of the brain. Volumes of interest were defined to obtain [11C](R)-PK11195 regional binding potential values for motor and “extra-motor” regions. Significantly increased binding was found in motor cortex (P = 0.003), pons (P = 0.004), dorsolateral prefrontal cortex (P = 0.010) and thalamus (P = 0.005) in the ALS patients, with significant correlation between binding in the motor cortex and the burden of upper motor neuron signs clinically (r = 0.73, P = 0.009). These findings indicate that cerebral microglial activation can be detected in vivo during the evolution of ALS, and support the previous observations that cerebral pathology is widespread. They also argue for the development of therapeutic strategies aimed at inflammatory pathways.

This study identifies by microautoradiography activated microglia/macrophages as the main cell type expressing the peripheral benzodiazepine binding site (PBBS) at sites of active CNS pathology. Quantitative measurements of PBBS expression in vivo obtained by PET and [11C](R)-PK11195 are shown to correspond to animal experimental and human post-mortem data on the distribution pattern of activated microglia in inflammatory brain disease. Film autoradiography with [3H](R)-PK11195, a specific ligand for the PBBS, showed minimal binding in normal control CNS, whereas maximal binding to mononuclear cells was found in multiple sclerosis plaques. However, there was also significantly increased [3H](R)-PK11195 binding on activated microglia outside the histopathologically defined borders of multiple sclerosis plaques and in areas, such as the cerebral central grey matter, that are not normally reported as sites of pathology in multiple sclerosis. A similar pattern of [3H](R)-PK11195 binding in areas containing activated microglia was seen in the CNS of animals with experimental allergic encephalomyelitis (EAE). In areas without identifiable focal pathology, immunocytochemical staining combined with high-resolution emulsion autoradiography demonstrated that the cellular source of [3H](R)-PK11195 binding is activated microglia, which frequently retains a ramified morphology. Furthermore, in vitro radioligand binding studies confirmed that microglial activation leads to a rise in the number of PBBS and not a change in binding affinity. Quantitative [11C](R)-PK11195 PET in multiple sclerosis patients demonstrated increased PBBS expression in areas of focal pathology identified by T1- and T2-weighted MRI and, importantly, also in normal-appearing anatomical structures, including cerebral central grey matter. The additional binding frequently delineated neuronal projection areas, such as the lateral geniculate bodies in patients with a history of optic neuritis. In summary, [11C](R)-PK11195 PET provides a cellular marker of disease activity in vivo in the human brain.

Regulatory and coding variants are known to be enriched with associations identified by genome-wide association studies (GWASs) of complex disease, but their contributions to trait heritability are currently unknown. We applied variance-component methods to imputed genotype data for 11 common diseases to partition the heritability explained by genotyped SNPs (hg2) across functional categories (while accounting for shared variance due to linkage disequilibrium). Extensive simulations showed that in contrast to current estimates from GWAS summary statistics, the variance-component approach partitions heritability accurately under a wide range of complex-disease architectures. Across the 11 diseases DNaseI hypersensitivity sites (DHSs) from 217 cell types spanned 16% of imputed SNPs (and 24% of genotyped SNPs) but explained an average of 79% (SE = 8%) of hg2 from imputed SNPs (5.1× enrichment; p = 3.7 × 10−17) and 38% (SE = 4%) of hg2 from genotyped SNPs (1.6× enrichment, p = 1.0 × 10−4). Further enrichment was observed at enhancer DHSs and cell-type-specific DHSs. In contrast, coding variants, which span 1% of the genome, explained <10% of hg2 despite having the highest enrichment. We replicated these findings but found no significant contribution from rare coding variants in independent schizophrenia cohorts genotyped on GWAS and exome chips. Our results highlight the value of analyzing components of heritability to unravel the functional architecture of common disease. Regulatory and coding variants are known to be enriched with associations identified by genome-wide association studies (GWASs) of complex disease, but their contributions to trait heritability are currently unknown. We applied variance-component methods to imputed genotype data for 11 common diseases to partition the heritability explained by genotyped SNPs (hg2) across functional categories (while accounting for shared variance due to linkage disequilibrium). Extensive simulations showed that in contrast to current estimates from GWAS summary statistics, the variance-component approach partitions heritability accurately under a wide range of complex-disease architectures. Across the 11 diseases DNaseI hypersensitivity sites (DHSs) from 217 cell types spanned 16% of imputed SNPs (and 24% of genotyped SNPs) but explained an average of 79% (SE = 8%) of hg2 from imputed SNPs (5.1× enrichment; p = 3.7 × 10−17) and 38% (SE = 4%) of hg2 from genotyped SNPs (1.6× enrichment, p = 1.0 × 10−4). Further enrichment was observed at enhancer DHSs and cell-type-specific DHSs. In contrast, coding variants, which span 1% of the genome, explained <10% of hg2 despite having the highest enrichment. We replicated these findings but found no significant contribution from rare coding variants in independent schizophrenia cohorts genotyped on GWAS and exome chips. Our results highlight the value of analyzing components of heritability to unravel the functional architecture of common disease.