Variable, glutamine-encoding, CAA interruptions indicate that a property of the uninterrupted HTT CAG repeat sequence, distinct from the length of huntingtin's polyglutamine segment, dictates the rate at which Huntington's disease (HD) develops. The timing of onset shows no significant association with HTT cis-eQTLs but is influenced, sometimes in a sex-specific manner, by polymorphic variation at multiple DNA maintenance genes, suggesting that the special onset-determining property of the uninterrupted CAG repeat is a propensity for length instability that leads to its somatic expansion. Additional naturally occurring genetic modifier loci, defined by GWAS, may influence HD pathogenesis through other mechanisms. These findings have profound implications for the pathogenesis of HD and other repeat diseases and question the fundamental premise that polyglutamine length determines the rate of pathogenesis in the "polyglutamine disorders."

We acknowledge D. Dannaher and A. Lopez for their supporting work on the Angular parts of MEMOTE; resources and support from the DTU Computing Center; J. Cardoso, S. Gudmundsson, K. Jensen and D. Lappa for their feedback on conceptual details; and P. D. Karp and I. Thiele for critically reviewing the manuscript. We thank J. Daniel, T. Kristjansdottir, J. Saez-Saez, S. Sulheim, and P. Tubergen for being early adopters of MEMOTE and for providing written testimonials. J.O.V. received the Research Council of Norway grants 244164 (GenoSysFat), 248792 (DigiSal) and 248810 (Digital Life Norway); M.Z. received the Research Council of Norway grant 244164 (GenoSysFat); C.L. received funding from the Innovation Fund Denmark (project “Environmentally Friendly Protein Production (EFPro2)”); C.L., A.K., N. S., M.B., M.A., D.M., P.M, B.J.S., P.V., K.R.P. and M.H. received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement 686070 (DD-DeCaF); B.G.O., F.T.B. and A.D. acknowledge funding from the US National Institutes of Health (NIH, grant number 2R01GM070923-13); A.D. was supported by infrastructural funding from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation), Cluster of Excellence EXC 2124 Controlling Microbes to Fight Infections; N.E.L. received funding from NIGMS R35 GM119850, Novo Nordisk Foundation NNF10CC1016517 and the Keck Foundation; A.R. received a Lilly Innovation Fellowship Award; B.G.-J. and J. Nogales received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no 686585 for the project LIAR, and the Spanish Ministry of Economy and Competitivity through the RobDcode grant (BIO2014-59528-JIN); L.M.B. has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement 633962 for project P4SB; R.F. received funding from the US Department of Energy, Offices of Advanced Scientific Computing Research and the Biological and Environmental Research as part of the Scientific Discovery Through Advanced Computing program, grant DE-SC0010429; A.M., C.Z., S.L. and J. Nielsen received funding from The Knut and Alice Wallenberg Foundation, Advanced Computing program, grant #DE-SC0010429; S.K.’s work was in part supported by the German Federal Ministry of Education and Research (de.NBI partner project “ModSim” (FKZ: 031L104B)); E.K. and J.A.H.W. were supported by the German Federal Ministry of Education and Research (project “SysToxChip”, FKZ 031A303A); M.K. is supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF, Germany) within the research network Systems Medicine of the Liver (LiSyM, grant number 031L0054); J.A.P. and G.L.M. acknowledge funding from US National Institutes of Health (T32-LM012416, R01-AT010253, R01-GM108501) and the Wagner Foundation; G.L.M. acknowledges funding from a Grand Challenges Exploration Phase I grant (OPP1211869) from the Bill & Melinda Gates Foundation; H.H. and R.S.M.S. received funding from the Biotechnology and Biological Sciences Research Council MultiMod (BB/N019482/1); H.U.K. and S.Y.L. received funding from the Technology Development Program to Solve Climate Changes on Systems Metabolic Engineering for Biorefineries (grants NRF-2012M1A2A2026556 and NRF-2012M1A2A2026557) from the Ministry of Science and ICT through the National Research Foundation (NRF) of Korea; H.U.K. received funding from the Bio & Medical Technology Development Program of the NRF, the Ministry of Science and ICT (NRF-2018M3A9H3020459); P.B., B.J.S., Z.K., B.O.P., C.L., M.B., N.S., M.H. and A.F. received funding through Novo Nordisk Foundation through the Center for Biosustainability at the Technical University of Denmark (NNF10CC1016517); D.-Y.L. received funding from the Next-Generation BioGreen 21 Program (SSAC, PJ01334605), Rural Development Administration, Republic of Korea; G.F. was supported by the RobustYeast within ERA net project via SystemsX.ch; V.H. received funding from the ETH Domain and Swiss National Science Foundation; M.P. acknowledges Oxford Brookes University; J.C.X. received support via European Research Council (666053) to W.F. Martin; B.E.E. acknowledges funding through the CSIRO-UQ Synthetic Biology Alliance; C.D. is supported by a Washington Research Foundation Distinguished Investigator Award. I.N. received funding from National Institutes of Health (NIH)/National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) (grant P20GM125503).

Abstract The expanded HTT CAG repeat causing Huntington’s disease (HD) exhibits somatic expansion proposed to drive the rate of disease onset by eliciting a pathological process that ultimately claims vulnerable cells. To gain insight into somatic expansion in humans, we performed comprehensive quantitative analyses of CAG expansion in ~50 central nervous system (CNS) and peripheral postmortem tissues from seven adult-onset and one juvenile-onset HD individual. We also assessed ATXN1 CAG repeat expansion in brain regions of an individual with a neurologically and pathologically distinct repeat expansion disorder, spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1). Our findings reveal similar profiles of tissue instability in all HD individuals, which, notably, were also apparent in the SCA1 individual. CAG expansion was observed in all tissues, but to different degrees, with multiple cortical regions and neostriatum tending to have the greatest instability in the CNS, and liver in the periphery. These patterns indicate different propensities for CAG expansion contributed by disease locus-independent trans-factors and demonstrate that expansion per se is not sufficient to cause cell type or disease-specific pathology. Rather, pathology may reflect distinct toxic processes triggered by different repeat lengths across cell types and diseases. We also find that the HTT CAG length-dependent expansion propensity of an individual is reflected in all tissues and in cerebrospinal fluid. Our data indicate that peripheral cells may be a useful source to measure CAG expansion in biomarker assays for therapeutic efforts, prompting efforts to dissect underlying mechanisms of expansion that may differ between the brain and periphery.

Adipic acid is an important industrial chemical used in the synthesis of nylon-6,6. The commercial synthesis of adipic acid uses petroleum-derived benzene and releases significant quantities of greenhouse gases. Biocatalytic production of adipic acid from renewable feedstocks could potentially reduce the environmental damage and eliminate the need for fossil fuel precursors. Recently, we have demonstrated the first enzymatic hydrogenation of muconic acid to adipic acid using microbial enoate reductases (ERs) - complex iron-sulfur and flavin containing enzymes. In this work, we successfully expressed the Bacillus coagulans ER in a Saccharomyces cerevisiae strain producing muconic acid and developed a three-stage fermentation process enabling the synthesis of adipic acid from glucose. The ability to express active ERs and significant acid tolerance of S. cerevisiae highlight the applicability of the developed yeast strain for the biocatalytic production of adipic acid from renewable feedstocks.

Carboxylic acid reductases (CARs) selectively reduce carboxylic acids to aldehydes using ATP and NADPH as cofactors under mild conditions. Although CARs attracts significant interest, only a few enzymes have been characterized to date, whereas the vast majority of CARs have yet to be examined. Herein the authors report that 12 bacterial CARs reduces a broad range of bifunctional carboxylic acids containing oxo‐, hydroxy‐, amino‐, or second carboxyl groups with several enzymes showing activity toward 4‐hydroxybutanoic (4‐HB) and adipic acids. These CARs exhibits significant reductase activity against substrates whose second functional group is separated from the carboxylate by at least three carbons with both carboxylate groups being reduced in dicarboxylic acids. Purified CARs supplemented with cofactor regenerating systems (for ATP and NADPH), an inorganic pyrophosphatase, and an aldo‐keto reductase catalyzes a high conversion (50–76%) of 4‐HB to 1,4‐butanediol (1,4‐BDO) and adipic acid to 1,6‐hexanediol (1,6‐HDO). Likewise, Escherichia coli strains expressing eight different CARs efficiently reduces 4‐HB to 1,4‐BDO with 50–95% conversion, whereas adipic acid is reduced to a mixture of 6‐hydroxyhexanoic acid (6‐HHA) and 1,6‐HDO. Thus, our results illustrate the broad biochemical diversity of bacterial CARs and their compatibility with other enzymes for applications in biocatalysis.

Abstract Several studies have shown that neither the formal representation nor the functional requirements of genome-scale metabolic models (GEMs) are precisely defined. Without a consistent standard, comparability, reproducibility, and interoperability of models across groups and software tools cannot be guaranteed. Here, we present memote ( https://github.com/opencobra/memote ) an open-source software containing a community-maintained, standardized set of me tabolic mo del te sts. The tests cover a range of aspects from annotations to conceptual integrity and can be extended to include experimental datasets for automatic model validation. In addition to testing a model once, memote can be configured to do so automatically, i.e., while building a GEM. A comprehensive report displays the model’s performance parameters, which supports informed model development and facilitates error detection. Memote provides a measure for model quality that is consistent across reconstruction platforms and analysis software and simplifies collaboration within the community by establishing workflows for publicly hosted and version controlled models.

Huntington's disease (HD) is a dominantly inherited disease caused by a CAG expansion mutation in HTT. The age at onset of clinical symptoms is determined primarily by the length of this CAG expansion but is also influenced by other genetic and/or environmental factors.Recently, through genome-wide association studies (GWAS) aimed at discovering genetic modifiers, we identified loci associated with age at onset of motor signs that are significant at the genome-wide level. However, many additional HD modifiers may exist but may not have achieved statistical significance due to limited power.In order to disseminate broadly the entire GWAS results and make them available to complement alternative approaches, we have developed the internet website "GeM MOA" where genetic association results can be searched by gene name, SNP ID, or genomic coordinates of a region of interest.Users of the Genetic Modifiers of Motor Onset Age (GeM MOA) site can therefore examine support for association between any gene region and age at onset of HD motor signs. GeM MOA's interactive interface also allows users to navigate the surrounding region and to obtain association p-values for individual SNPs.Our website conveys a comprehensive view of the genetic landscape of modifiers of HD from the existing GWAS, and will provide the means to evaluate the potential influence of genes of interest on the onset of HD. GeM MOA is freely available at https://www.hdinhd.org/.

Abstract

Background

 Huntington's disease (HD) is an inherited neurodegenerative disorder caused by an expanded CAG repeat in the HTT gene. It is diagnosed following a standardized examination of motor control and often presents with cognitive decline and psychiatric symptoms. Recent studies have detected genetic loci modifying the age at onset of motor symptoms in HD, but genetic factors influencing cognitive and psychiatric presentations are unknown. 

Methods

 We tested the hypothesis that psychiatric and cognitive symptoms in HD are influenced by the same common genetic variation as in the general population by 1) constructing polygenic risk scores from large genome-wide association studies of psychiatric and neurodegenerative disorders and of intelligence and 2) testing for correlation with the presence of psychiatric and cognitive symptoms in a large sample (n = 5160) of patients with HD. 

Results

 Polygenic risk score for major depression was associated specifically with increased risk of depression in HD, as was schizophrenia risk score with psychosis and irritability. Cognitive impairment and apathy were associated with reduced polygenic risk score for intelligence. 

Conclusions

 Polygenic risk scores for psychiatric disorders, particularly depression and schizophrenia, are associated with increased risk of the corresponding psychiatric symptoms in HD, suggesting a common genetic liability. However, the genetic liability to cognitive impairment and apathy appears to be distinct from other psychiatric symptoms in HD. No associations were observed between HD symptoms and risk scores for other neurodegenerative disorders. These data provide a rationale for treatments effective in depression and schizophrenia to be used to treat depression and psychotic symptoms in HD.

Huntington's disease pathogenesis involves a genetic gain-of-function toxicity mechanism triggered by the expanded HTT CAG repeat. Current therapeutic efforts aim to suppress expression of total or mutant huntingtin, though the relationship of huntingtin's normal activities to the gain-of-function mechanism and what the effects of huntingtin-lowering might be are unclear. Here, we have re-investigated a rare family segregating two presumed HTT loss-of-function (LoF) variants associated with the developmental disorder, Lopes-Maciel-Rodan syndrome (LOMARS), using whole-genome sequencing of DNA from cell lines, in conjunction with analysis of mRNA and protein expression. Our findings correct the muddled annotation of these HTT variants, reaffirm they are the genetic cause of the LOMARS phenotype and demonstrate that each variant is a huntingtin hypomorphic mutation. The NM_002111.8: c.4469+1G>A splice donor variant results in aberrant (exon 34) splicing and severely reduced mRNA, whereas, surprisingly, the NM_002111.8: c.8157T>A NP_002102.4: Phe2719Leu missense variant results in abnormally rapid turnover of the Leu2719 huntingtin protein. Thus, although rare and subject to an as yet unknown LoF intolerance at the population level, bona fide HTT LoF variants can be transmitted by normal individuals leading to severe consequences in compound heterozygotes due to huntingtin deficiency.

Abstract Toxic concentrations of monocarboxylic weak acids present in lignocellulosic hydrolyzates affect cell integrity and fermentative performance of Saccharomyces cerevisiae. In this work, we report the deletion of the general catabolite repressor Mig1p as a strategy to improve the tolerance of S. cerevisiae towards inhibitory concentrations of acetic, formic or levulinic acid. In contrast with the wt yeast, where the growth and ethanol production were ceased in presence of acetic acid 5 g/L or formic acid 1.75 g/L (initial pH not adjusted), the m9 strain (Δmig1::kan) produced 4.06 ± 0.14 and 3.87 ± 0.06 g/L of ethanol, respectively. Also, m9 strain tolerated a higher concentration of 12.5 g/L acetic acid (initial pH adjusted to 4.5) without affecting its fermentative performance. Moreover, m9 strain produced 33% less acetic acid and 50–70% less glycerol in presence of weak acids, and consumed acetate and formate as carbon sources under aerobic conditions. Our results show that the deletion of Mig1p provides a single gene deletion target for improving the acid tolerance of yeast strains significantly.