Exome sequencing is an effective strategy for identifying human disease genes. However, this methodology is difficult in late-onset diseases where limited availability of DNA from informative family members prohibits comprehensive segregation analysis. To overcome this limitation, we performed an exome-wide rare variant burden analysis of 363 index cases with familial ALS (FALS). The results revealed an excess of patient variants within TUBA4A, the gene encoding the Tubulin, Alpha 4A protein. Analysis of a further 272 FALS cases and 5,510 internal controls confirmed the overrepresentation as statistically significant and replicable. Functional analyses revealed that TUBA4A mutants destabilize the microtubule network, diminishing its repolymerization capability. These results further emphasize the role of cytoskeletal defects in ALS and demonstrate the power of gene-based rare variant analyses in situations where causal genes cannot be identified through traditional segregation analysis.

Annexin A11 mutations, implicated in ALS, prevent binding to calcyclin and induce the formation of cytoplasmic inclusions.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) are overlapping, fatal neurodegenerative disorders in which the molecular and pathogenic basis remains poorly understood. Ubiquitinated protein aggregates, of which TDP-43 is a major component, are a characteristic pathological feature of most ALS and FTD patients. Here we use genome-wide linkage analysis in a large ALS/FTD kindred to identify a novel disease locus on chromosome 16p13.3. Whole-exome sequencing identified a CCNF missense mutation at this locus. Interrogation of international cohorts identified additional novel CCNF variants in familial and sporadic ALS and FTD. Enrichment of rare protein-altering CCNF variants was evident in a large sporadic ALS replication cohort. CCNF encodes cyclin F, a component of an E3 ubiquitin–protein ligase complex (SCF Cyclin F ). Expression of mutant CCNF in neuronal cells caused abnormal ubiquitination and accumulation of ubiquitinated proteins, including TDP-43 and a SCF Cyclin F substrate. This implicates common mechanisms, linked to protein homeostasis, underlying neuronal degeneration.