Abstract Genetic variants that inactivate protein-coding genes are a powerful source of information about the phenotypic consequences of gene disruption: genes that are crucial for the function of an organism will be depleted of such variants in natural populations, whereas non-essential genes will tolerate their accumulation. However, predicted loss-of-function variants are enriched for annotation errors, and tend to be found at extremely low frequencies, so their analysis requires careful variant annotation and very large sample sizes 1 . Here we describe the aggregation of 125,748 exomes and 15,708 genomes from human sequencing studies into the Genome Aggregation Database (gnomAD). We identify 443,769 high-confidence predicted loss-of-function variants in this cohort after filtering for artefacts caused by sequencing and annotation errors. Using an improved model of human mutation rates, we classify human protein-coding genes along a spectrum that represents tolerance to inactivation, validate this classification using data from model organisms and engineered human cells, and show that it can be used to improve the power of gene discovery for both common and rare diseases.

Rare coding variation has historically provided the most direct connections between gene function and disease pathogenesis. By meta-analysing the whole exomes of 24,248 schizophrenia cases and 97,322 controls, we implicate ultra-rare coding variants (URVs) in 10 genes as conferring substantial risk for schizophrenia (odds ratios of 3–50, P < 2.14 × 10−6) and 32 genes at a false discovery rate of <5%. These genes have the greatest expression in central nervous system neurons and have diverse molecular functions that include the formation, structure and function of the synapse. The associations of the NMDA (N-methyl-d-aspartate) receptor subunit GRIN2A and AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) receptor subunit GRIA3 provide support for dysfunction of the glutamatergic system as a mechanistic hypothesis in the pathogenesis of schizophrenia. We observe an overlap of rare variant risk among schizophrenia, autism spectrum disorders1, epilepsy and severe neurodevelopmental disorders2, although different mutation types are implicated in some shared genes. Most genes described here, however, are not implicated in neurodevelopment. We demonstrate that genes prioritized from common variant analyses of schizophrenia are enriched in rare variant risk3, suggesting that common and rare genetic risk factors converge at least partially on the same underlying pathogenic biological processes. Even after excluding significantly associated genes, schizophrenia cases still carry a substantial excess of URVs, which indicates that more risk genes await discovery using this approach. Whole-exome sequencing identifies ten risk genes for schizophrenia implicated by rare protein-coding variants, a subset of which overlap with risk genes in other neurodevelopmental disorders.

The default-mode network (DMN) consists of a set of brain areas preferentially activated during internally focused tasks. We used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to study the DMN in bipolar mania and acute schizophrenia. Participants comprised 17 patients with bipolar disorder (BD), 14 patients with schizophrenia (SZ) and 15 normal controls (NC), who underwent 10-min resting fMRI scans. The DMN was extracted using independent component analysis and template-matching; spatial extent and timecourse were examined. Both patient groups showed reduced DMN connectivity in the medial prefrontal cortex (mPFC) (BD: x=-2, y=54, z=-12; SZ: x=-2, y=22, z=18). BD subjects showed abnormal recruitment of parietal cortex (correlated with mania severity) while SZ subjects showed greater recruitment of the frontopolar cortex/basal ganglia. Both groups had significantly higher frequency fluctuations than controls. We found ventral mPFC abnormalities in BD and dorsal mPFC abnormalities in SZ. The higher frequency of BOLD signal oscillations observed in patients suggests abnormal functional organization of circuits in both disorders. Further studies are needed to determine how these abnormalities are related to specific symptoms of each condition.

Endogenous opioids seem to play a critical role in the regulation of mood states. For example, there is accumulating evidence that stimulation of κ-opioid receptors, upon which the endogenous opioid dynorphin acts, can produce depressive-like behaviors in laboratory animals. Here we examined whether systemic administration of salvinorin A (SalvA), a potent and highly selective κ-opioid agonist, would produce depressive-like effects in the forced swim test (FST) and intracranial self-stimulation (ICSS) test, which are behavioral models often used to study depression in rats. We extracted, isolated, and purified SalvA from Salvia divinorum plant leaves and examined its effects on behavior in the FST and ICSS test across a range of doses (0.125–2.0 mg/kg) after systemic (intraperitoneal) administration. SalvA dose dependently increased immobility in the FST, an effect opposite to that of standard antidepressant drugs. Doses of SalvA that produced these effects in the FST did not affect locomotor activity in an open field. Furthermore, SalvA dose dependently elevated ICSS thresholds, an effect similar to that produced by treatments that cause depressive symptoms in humans. At a dose that caused the depressive-like effects in both the FST and ICSS assays, SalvA decreased extracellular concentrations of dopamine (DA) within the nucleus accumbens (NAc), a critical component of brain reward circuitry, without affecting extracellular concentrations of serotonin (5-HT). These data provide additional support for the hypothesis that stimulation of brain κ-opioid receptors triggers depressive-like signs in rats and raise the possibility that decreases in extracellular concentrations of DA within the NAc contribute to these effects.

We report the implantation of patient-derived midbrain dopaminergic progenitor cells, differentiated in vitro from autologous induced pluripotent stem cells (iPSCs), in a patient with idiopathic Parkinson's disease. The patient-specific progenitor cells were produced under Good Manufacturing Practice conditions and characterized as having the phenotypic properties of substantia nigra pars compacta neurons; testing in a humanized mouse model (involving peripheral-blood mononuclear cells) indicated an absence of immunogenicity to these cells. The cells were implanted into the putamen (left hemisphere followed by right hemisphere, 6 months apart) of a patient with Parkinson's disease, without the need for immunosuppression. Positron-emission tomography with the use of fluorine-18-L-dihydroxyphenylalanine suggested graft survival. Clinical measures of symptoms of Parkinson's disease after surgery stabilized or improved at 18 to 24 months after implantation. (Funded by the National Institutes of Health and others.).

Abstract Background As previously published, the MMPOWER-3 clinical trial did not demonstrate a significant benefit of elamipretide treatment in a genotypically diverse population of adults with primary mitochondrial myopathy (PMM). However, the prespecified subgroup of subjects with disease-causing nuclear DNA (nDNA) pathogenic variants receiving elamipretide experienced an improvement in the six-minute walk test (6MWT), while the cohort of subjects with mitochondrial DNA (mtDNA) pathogenic variants showed no difference versus placebo. These published findings prompted additional genotype-specific post hoc analyses of the MMPOWER-3 trial. Here, we present these analyses to further investigate the findings and to seek trends and commonalities among those subjects who responded to treatment, to build a more precise Phase 3 trial design for further investigation in likely responders. Results Subjects with mtDNA pathogenic variants or single large-scale mtDNA deletions represented 74% of the MMPOWER-3 population, with 70% in the mtDNA cohort having either single large-scale mtDNA deletions or MT-TL1 pathogenic variants. Most subjects in the nDNA cohort had pathogenic variants in genes required for mtDNA maintenance (mtDNA replisome), the majority of which were in POLG and TWNK . The mtDNA replisome post-hoc cohort displayed an improvement on the 6MWT, trending towards significant, in the elamipretide group when compared with placebo (25.2 ± 8.7 m versus 2.0 ± 8.6 m for placebo group; p = 0.06). The 6MWT results at week 24 in subjects with replisome variants showed a significant change in the elamipretide group subjects who had chronic progressive external ophthalmoplegia (CPEO) (37.3 ± 9.5 m versus − 8.0 ± 10.7 m for the placebo group; p = 0.0024). Pharmacokinetic (exposure–response) analyses in the nDNA cohort showed a weak positive correlation between plasma elamipretide concentration and 6MWT improvement. Conclusions Post hoc analyses indicated that elamipretide had a beneficial effect in PMM patients with mtDNA replisome disorders, underscoring the importance of considering specific genetic subtypes in PMM clinical trials. These data serve as the foundation for a follow-up Phase 3 clinical trial (NuPOWER) which has been designed as described in this paper to determine the efficacy of elamipretide in patients with mtDNA maintenance-related disorders. Classification of evidence Class I ClinicalTrials.gov identifier NCT03323749