Abnormalities of prefrontal cortical function are prominent features of schizophrenia and have been associated with genetic risk, suggesting that susceptibility genes for schizophrenia may impact on the molecular mechanisms of prefrontal function. A potential susceptibility mechanism involves regulation of prefrontal dopamine, which modulates the response of prefrontal neurons during working memory. We examined the relationship of a common functional polymorphism (Val 108/158 Met) in the catechol- O -methyltransferase (COMT) gene, which accounts for a 4-fold variation in enzyme activity and dopamine catabolism, with both prefrontally mediated cognition and prefrontal cortical physiology. In 175 patients with schizophrenia, 219 unaffected siblings, and 55 controls, COMT genotype was related in allele dosage fashion to performance on the Wisconsin Card Sorting Test of executive cognition and explained 4% of variance ( P = 0.001) in frequency of perseverative errors. Consistent with other evidence that dopamine enhances prefrontal neuronal function, the load of the low-activity Met allele predicted enhanced cognitive performance. We then examined the effect of COMT genotype on prefrontal physiology during a working memory task in three separate subgroups ( n = 11–16) assayed with functional MRI. Met allele load consistently predicted a more efficient physiological response in prefrontal cortex. Finally, in a family-based association analysis of 104 trios, we found a significant increase in transmission of the Val allele to the schizophrenic offspring. These data suggest that the COMT Val allele, because it increases prefrontal dopamine catabolism, impairs prefrontal cognition and physiology, and by this mechanism slightly increases risk for schizophrenia.

A functional polymorphism in the promoter region of the human serotonin transporter gene ( SLC6A4 ) has been associated with several dimensions of neuroticism and psychopathology, especially anxiety traits, but the predictive value of this genotype against these complex behaviors has been inconsistent. Serotonin [5- hydroxytryptamine, (5-HT)] function influences normal fear as well as pathological anxiety, behaviors critically dependent on the amygdala in animal models and in clinical studies. We now report that individuals with one or two copies of the short allele of the serotonin transporter (5-HTT) promoter polymorphism, which has been associated with reduced 5-HTT expression and function and increased fear and anxiety-related behaviors, exhibit greater amygdala neuronal activity, as assessed by BOLD functional magnetic resonance imaging, in response to fearful stimuli compared with individuals homozygous for the long allele. These results demonstrate genetically driven variation in the response of brain regions underlying human emotional behavior and suggest that differential excitability of the amygdala to emotional stimuli may contribute to the increased fear and anxiety typically associated with the short SLC6A4 allele.

Catechol-O-methyltransferase (COMT) is a key enzyme in the elimination of dopamine in the prefrontal cortex of the human brain. Genetic variation in the COMT gene (MIM 116790) has been associated with altered prefrontal cortex function and higher risk for schizophrenia, but the specific alleles and their functional implications have been controversial. We analyzed the effects of several single-nucleotide polymorphisms (SNPs) within COMT on mRNA expression levels (using reverse-transcriptase polymerase chain reaction analysis), protein levels (using Western blot analysis), and enzyme activity (using catechol methylation) in a large sample (n = 108) of postmortem human prefrontal cortex tissue, which predominantly expresses the -membrane-bound isoform. A common coding SNP, Val158Met (rs4680), significantly affected protein abundance and enzyme activity but not mRNA expression levels, suggesting that differences in protein integrity account for the difference in enzyme activity between alleles. A SNP in intron 1 (rs737865) and a SNP in the 3′ flanking region (rs165599)—both of which have been reported to contribute to allelic expression differences and to be associated with schizophrenia as part of a haplotype with Val—had no effect on mRNA expression levels, protein immunoreactivity, or enzyme activity. In lymphocytes from 47 subjects, we confirmed a similar effect on enzyme activity in samples with the Val/Met genotype but no effect in samples with the intron 1 or 3′ SNPs. Separate analyses revealed that the subject's sex, as well as the presence of a SNP in the P2 promoter region (rs2097603), had small effects on COMT enzyme activity. Using site-directed mutagenesis of mouse COMT cDNA, followed by in vitro translation, we found that the conversion of Leu at the homologous position into Met or Val progressively and significantly diminished enzyme activity. Thus, although we cannot exclude a more complex genetic basis for functional effects of COMT, Val is a predominant factor that determines higher COMT activity in the prefrontal cortex, which presumably leads to lower synaptic dopamine levels and relatively deleterious prefrontal function. Catechol-O-methyltransferase (COMT) is a key enzyme in the elimination of dopamine in the prefrontal cortex of the human brain. Genetic variation in the COMT gene (MIM 116790) has been associated with altered prefrontal cortex function and higher risk for schizophrenia, but the specific alleles and their functional implications have been controversial. We analyzed the effects of several single-nucleotide polymorphisms (SNPs) within COMT on mRNA expression levels (using reverse-transcriptase polymerase chain reaction analysis), protein levels (using Western blot analysis), and enzyme activity (using catechol methylation) in a large sample (n = 108) of postmortem human prefrontal cortex tissue, which predominantly expresses the -membrane-bound isoform. A common coding SNP, Val158Met (rs4680), significantly affected protein abundance and enzyme activity but not mRNA expression levels, suggesting that differences in protein integrity account for the difference in enzyme activity between alleles. A SNP in intron 1 (rs737865) and a SNP in the 3′ flanking region (rs165599)—both of which have been reported to contribute to allelic expression differences and to be associated with schizophrenia as part of a haplotype with Val—had no effect on mRNA expression levels, protein immunoreactivity, or enzyme activity. In lymphocytes from 47 subjects, we confirmed a similar effect on enzyme activity in samples with the Val/Met genotype but no effect in samples with the intron 1 or 3′ SNPs. Separate analyses revealed that the subject's sex, as well as the presence of a SNP in the P2 promoter region (rs2097603), had small effects on COMT enzyme activity. Using site-directed mutagenesis of mouse COMT cDNA, followed by in vitro translation, we found that the conversion of Leu at the homologous position into Met or Val progressively and significantly diminished enzyme activity. Thus, although we cannot exclude a more complex genetic basis for functional effects of COMT, Val is a predominant factor that determines higher COMT activity in the prefrontal cortex, which presumably leads to lower synaptic dopamine levels and relatively deleterious prefrontal function.

A major line of evidence that supports the hypothesis of dopamine overactivity in schizophrenia is the psychomimetic potential of agents such as amphetamine that stimulate dopamine outflow. A novel brain imaging method provides an indirect measure of in vivo synaptic dopamine concentration by quantifying the change in dopamine receptor radiotracer binding produced by agents that alter dopamine release but do not themselves bind to dopamine receptors. The purpose of this investigation is ( i ) to determine the sensitivity (i.e., amount of dopamine reflected in radiotracer binding changes) of this method by examining the relationship between amphetamine-induced changes in simultaneously derived striatal extracellular dopamine levels with in vivo microdialysis and striatal binding levels with the dopamine D 2 /D 3 positron-emission tomography radioligand [ 11 C]raclopride in nonhuman primates, and ( ii ) to test the hypothesis of elevated amphetamine-induced synaptic dopamine levels in schizophrenia. In the nonhuman primate study ( n = 4), doubling the amphetamine dose produced a doubling in [ 11 C]raclopride specific binding reductions. In addition, the ratio of percent mean dopamine increase to percent mean striatal binding reduction for amphetamine (0.2 mg/kg) was 44:1, demonstrating that relatively small binding changes reflect large changes in dopamine outflow. In the clinical study, patients with schizophrenia ( n = 11) compared with healthy volunteers ( n = 12) had significantly greater amphetamine-related reductions in [ 11 C]raclopride specific binding (mean ± SEM): −22.3% (±2.7) vs. −15.5% (±1.8), P = 0.04, respectively. Inferences from the preclinical study suggest that the patients’ elevation in synaptic dopamine concentrations was substantially greater than controls. These data provide direct evidence for the hypothesis of elevated amphetamine-induced synaptic dopamine concentrations in schizophrenia.

BDNF plays a critical role in activity-dependent neuroplasticity underlying learning and memory in the hippocampus. A frequent single nucleotide polymorphism in the targeting region of the human BDNF gene (val66met) has been associated with abnormal intracellular trafficking and regulated secretion of BDNF in cultured hippocampal neurons transfected with the met allele. In addition, the met allele has been associated with abnormal hippocampal neuronal function as well as impaired episodic memory in human subjects, but a direct effect of BDNF alleles on hippocampal processing of memory has not been demonstrated. We studied the relationship of the BDNF val66met genotype and hippocampal activity during episodic memory processing using blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging and a declarative memory task in healthy individuals. Met carriers exhibited relatively diminished hippocampal engagement in comparison with val homozygotes during both encoding and retrieval processes. Remarkably, the interaction between the BDNF val66met genotype and the hippocampal response during encoding accounted for 25% of the total variation in recognition memory performance. These data implicate a specific genetic mechanism for substantial normal variation in human declarative memory and suggest that the basic effects of BDNF signaling on hippocampal function in experimental animals are important in humans.

Monamines subserve many critical roles in the brain, and monoaminergic drugs such as amphetamine have a long history in the treatment of neuropsychiatric disorders and also as a substance of abuse. The clinical effects of amphetamine are quite variable, from positive effects on mood and cognition in some individuals, to negative responses in others, perhaps related to individual variations in monaminergic function and monoamine system genes. We explored the effect of a functional polymorphism (val(158)-met) in the catechol O-methyltransferase gene, which has been shown to modulate prefrontal dopamine in animals and prefrontal cortical function in humans, on the modulatory actions of amphetamine on the prefrontal cortex. Amphetamine enhanced the efficiency of prefrontal cortex function assayed with functional MRI during a working memory task in subjects with the high enzyme activity val/val genotype, who presumably have relatively less prefrontal synaptic dopamine, at all levels of task difficulty. In contrast, in subjects with the low activity met/met genotype who tend to have superior baseline prefrontal function, the drug had no effect on cortical efficiency at low-to-moderate working memory load and caused deterioration at high working memory load. These data illustrate an application of functional neuroimaging in pharmacogenomics and extend basic evidence of an inverted-"U" functional-response curve to increasing dopamine signaling in the prefrontal cortex. Further, individuals with the met/met catechol O-methyltransferase genotype appear to be at increased risk for an adverse response to amphetamine.

Cognitive abnormalities are common in Parkinson's disease, with important social and economic implications. Factors influencing their evolution remain unclear but are crucial to the development of targeted therapeutic strategies. We have investigated the development of cognitive impairment and dementia in Parkinson's disease using a longitudinal approach in a population-representative incident cohort (CamPaIGN study, n = 126) and here present the 5-year follow-up data from this study. Our previous work has implicated two genetic factors in the development of cognitive dysfunction in Parkinson's disease, namely the genes for catechol-O-methyltransferase (COMT Val158Met) and microtubule-associated protein tau (MAPT) H1/H2. Here, we have explored the influence of these genes in our incident cohort and an additional cross-sectional prevalent cohort (n = 386), and investigated the effect of MAPT H1/H2 haplotypes on tau transcription in post-mortem brain samples from patients with Lewy body disease and controls. Seventeen percent of incident patients developed dementia over 5 years [incidence 38.7 (23.9–59.3) per 1000 person-years]. We have demonstrated that three baseline measures, namely, age ≥72 years, semantic fluency less than 20 words in 90 s and inability to copy an intersecting pentagons figure, are significant predictors of dementia risk, thus validating our previous findings. In combination, these factors had an odds ratio of 88 for dementia within the first 5 years from diagnosis and may reflect the syndrome of mild cognitive impairment of Parkinson's disease. Phonemic fluency and other frontally based tasks were not associated with dementia risk. MAPT H1/H1 genotype was an independent predictor of dementia risk (odds ratio = 12.1) and the H1 versus H2 haplotype was associated with a 20% increase in transcription of 4-repeat tau in Lewy body disease brains. In contrast, COMT genotype had no effect on dementia, but a significant impact on Tower of London performance, a frontostriatally based executive task, which was dynamic, such that the ability to solve this task changed with disease progression. Hence, we have identified three highly informative predictors of dementia in Parkinson's disease, which can be easily translated into the clinic, and established that MAPT H1/H1 genotype is an important risk factor with functional effects on tau transcription. Our work suggests that the dementing process in Parkinson's disease is predictable and related to tau while frontal-executive dysfunction evolves independently with a more dopaminergic basis and better prognosis.

Neurobiological factors contributing to violence in humans remain poorly understood. One approach to this question is examining allelic variation in the X-linked monoamine oxidase A (MAOA) gene, previously associated with impulsive aggression in animals and humans. Here, we have studied the impact of a common functional polymorphism in MAOA on brain structure and function assessed with MRI in a large sample of healthy human volunteers. We show that the low expression variant, associated with increased risk of violent behavior, predicted pronounced limbic volume reductions and hyperresponsive amygdala during emotional arousal, with diminished reactivity of regulatory prefrontal regions, compared with the high expression allele. In men, the low expression allele is also associated with changes in orbitofrontal volume, amygdala and hippocampus hyperreactivity during aversive recall, and impaired cingulate activation during cognitive inhibition. Our data identify differences in limbic circuitry for emotion regulation and cognitive control that may be involved in the association of MAOA with impulsive aggression, suggest neural systems-level effects of X-inactivation in human brain, and point toward potential targets for a biological approach toward violence.