Abstract Gaining insight into the downstream consequences of non-coding variants is an essential step towards the identification of therapeutic targets from genome-wide association study (GWAS) findings. Here we have harmonized and integrated 8,727 RNA-seq samples with accompanying genotype data from multiple brain-regions from 14 datasets. This sample size enabled us to perform both cis - and trans -expression quantitative locus (eQTL) mapping. Upon comparing the brain cortex cis -eQTLs (for 12,307 unique genes at FDR<0.05) with a large blood cis- eQTL analysis (n=31,684 samples), we observed that brain eQTLs are more tissue specific than previously assumed. We inferred the brain cell type for 1,515 cis -eQTLs by using cell type proportion information. We conducted Mendelian Randomization on 31 brain-related traits using cis -eQTLs as instruments and found 159 significant findings that also passed colocalization. Furthermore, two multiple sclerosis (MS) findings had cell type specific signals, a neuron-specific cis- eQTL for CYP24A1 and a macrophage specific cis -eQTL for CLECL1 . To further interpret GWAS hits, we performed trans -eQTL analysis. We identified 2,589 trans -eQTLs (at FDR<0.05) for 373 unique SNPs, affecting 1,263 unique genes, and 21 replicated significantly using single-nucleus RNA-seq data from excitatory neurons. We also generated a brain-specific gene-coregulation network that we used to predict which genes have brain-specific functions, and to perform a novel network analysis of Alzheimer’s disease (AD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS), multiple sclerosis (MS) and Parkinson’s disease (PD) GWAS data. This resulted in the identification of distinct sets of genes that show significantly enriched co-regulation with genes inside the associated GWAS loci, and which might reflect drivers of these diseases.

Abstract Background Epigenetic clocks use DNA methylation (DNAm) levels of specific sets of CpG dinucleotides to accurately predict individual chronological age. A popular application of these clocks is to explore whether the deviation of predicted age from chronological age is associated with disease phenotypes, where this deviation is interpreted as a potential biomarker of biological age. This wide application, however, contrasts with the limited insight in the processes that may drive the running of epigenetic clocks. Results We perform a functional genomics analysis on four epigenetic clocks, including Hannum’s blood predictor and Horvath’s multi-tissue predictor, using blood DNA methylome and transcriptome data from 3132 individuals. The four clocks result in similar predictions of individual chronological age, and their constituting CpGs are correlated in DNAm level and are enriched for similar histone modifications and chromatin states. Interestingly, DNAm levels of CpGs from the clocks are commonly associated with gene expression in trans . The gene sets involved are highly overlapping and enriched for T cell processes. Further analysis of the transcriptome and methylome of sorted blood cell types identifies differences in DNAm between naive and activated T and NK cells as a probable contributor to the clocks. Indeed, within the same donor, the four epigenetic clocks predict naive cells to be up to 40 years younger than activated cells. Conclusions The ability of epigenetic clocks to predict chronological age involves their ability to detect changes in proportions of naive and activated immune blood cells, an established feature of immuno-senescence. This finding may contribute to the interpretation of associations between clock-derived measures and age-related health outcomes.

ABSTRACT Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an archetypal complex disease centered on progressive death of motor neurons. Despite heritability estimates of 52%, GWAS studies have discovered only seven genome-wide significant hits, which are relevant to <10% of ALS patients. To increase the power of gene discovery, we integrated motor neuron functional genomics with ALS genetics in a hierarchical Bayesian model called RefMap. Comprehensive transcriptomic and epigenetic profiling of iPSC-derived motor neurons enabled RefMap to systematically fine-map genes and pathways associated with ALS. As a significant extension of the known genetic architecture of ALS, we identified a group of 690 candidate ALS genes, which is enriched with previously discovered risk genes. Extensive conservation, transcriptome and network analyses demonstrated the functional significance of these candidate genes in motor neurons and disease progression. In particular, we observed a genetic convergence on the distal axon, which supports the prevailing view of ALS as a distal axonopathy. Of the new ALS genes we discovered, we further characterized KANK1 that is enriched with coding and noncoding, common and rare ALS-associated genetic variation. Modelling patient mutations in human neurons reduced KANK1 expression and produced neurotoxicity with disruption of the distal axon. RefMap can be applied broadly to increase the discovery power in genetic association studies of human complex traits and diseases.

Despite substantial progress, causal variants are identified only for a minority of familial Parkinson's disease (PD) cases, leaving high-risk pathogenic variants unidentified

Abstract The non-coding genome is substantially larger than the protein-coding genome but is largely unexplored by genetic association studies. Here, we performed region-based burden analysis of >25,000 variants in untranslated regions of 6,139 amyotrophic lateral sclerosis (ALS) whole-genomes and 70,403 non-ALS controls. We identified Interleukin-18 Receptor Accessory Protein (IL18RAP) 3′UTR variants significantly enriched in non-ALS genomes, replicated in an independent cohort, and associated with a five-fold reduced risk of developing ALS. Variant IL18RAP 3′UTR reduces mRNA stability and the binding of RNA-binding proteins. Variant IL18RAP 3′UTR further dampens neurotoxicity of human iPSC-derived C9orf72-ALS microglia that depends on NF-κB signaling. Therefore, the variant IL18RAP 3′UTR provides survival advantage for motor neurons co-cultured with C9-ALS microglia. The study reveals direct genetic evidence and therapeutic targets for neuro-inflammation, and emphasizes the importance of non-coding genetic association studies. One Sentence Summary Non-coding genetic variants in IL-18 receptor 3’UTR decrease ALS risk by modifying IL-18-NF-κB signaling in microglia.

SUMMARY Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating progressive neurodegenerative disease that affects 1 in 400 people. Almost 40 genes have been associated with ALS, currently explaining about 15% of the ALS risk. These genes tend to cluster in certain disease pathways such as protein quality control, RNA metabolism and axonal function. Despite these advances, adequate treatments for ALS patients are still missing. In this study, we investigate the role of a newly discovered ALS gene, C21orf2 , in ALS pathology. We show that C21orf2 is localized to the basal body of the primary cilium and plays an important role in ciliogenesis in vitro and in vivo . Knock down of C21orf2 also lowers cilia frequency and length in human iPSC-derived spinal motor neurons (sMNs). Furthermore, we show that intraflagellar transport is impaired, causing primary cilia to fail in transducing extracellular signals essential in the sonic hedgehog pathway. ALS-associated mutations in C21orf2 lead to loss of binding to centrosomal proteins, loss of proper localization at the basal body and hereby prevent C21orf2 from carrying out its normal function in cilia by loss-of-function. Finally, we confirm that sMNs derived from iPSCs from ALS patients with C21orf2 mutations display similar cilia dysfunction and have disturbed sonic hedgehog signaling. Collectively, our data reveal impaired cilia homeostasis as a novel disease mechanism at play in ALS, opening new avenues for further research.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease. Selective vulnerability of energy-intensive motor neurons (MNs) has fostered speculation that mitochondrial function is a determinant of ALS. Previously, the position of mitochondrial function in the pathogenic cascade leading to neurotoxicity has been unclear. We separated upstream genetic determinants of mitochondrial function, including genetic variation within the mitochondrial genome or autosomes; from downstream changeable factors including mitochondrial copy number (mtCN) and MN gene expression. We discovered that functionally validated mitochondrial haplotypes are a determinant of ALS survival but not ALS risk. Loss-of-function genetic variants within, and reduced MN expression of, ACADM and DNA2 lead to shorter ALS survival; both genes impact mitochondrial function. MtCN responds dynamically to the onset of ALS independent of mitochondrial haplotype, and is also significantly correlated with disease severity. We conclude that mitochondrial function impacts ALS progression but not risk; our findings have therapeutic implications.

Most disease associated genetic risk factors are non-coding, making it challenging to design experiments to understand their functional consequences. Identification of expression quantitative trait loci (eQTLs) has been a powerful approach to infer downstream effects of disease variants but the large majority remains unexplained.. The analysis of DNA methylation, a key component of the epigenome, offers highly complementary data on the regulatory potential of genomic regions. However, a large-scale, combined analysis of methylome and transcriptome data to infer downstream effects of disease variants is lacking. Here, we show that disease variants have wide-spread effects on DNA methylation in trans that likely reflect the downstream effects on binding sites of cis-regulated transcription factors. Using data on 3,841 Dutch samples, we detected 272,037 independent cis-meQTLs (FDR < 0.05) and identified 1,907 trait-associated SNPs that affect methylation levels of 10,141 different CpG sites in trans (FDR < 0.05), an eight-fold increase in the number of downstream effects that was known from trans-eQTL studies. Trans-meQTL CpG sites are enriched for active regulatory regions, being correlated with gene expression and overlap with Hi-C determined interchromosomal contacts. We detected many trans-meQTL SNPs that affect expression levels of nearby transcription factors (including NFKB1, CTCF and NKX2-3), while the corresponding trans-meQTL CpG sites frequently coincide with its respective binding site. Trans-meQTL mapping therefore provides a strategy for identifying and better understanding downstream functional effects of many disease-associated variants.

ABSTRACT Mutations in the superoxide dismutase 1 ( SOD1 ) gene are the second most common known cause of ALS. SOD1 variants express high phenotypic variability and over 200 have been reported in people with ALS. Investigating how different SOD1 variants affect the protein dynamics might help in understanding their pathogenic mechanism and explaining their heterogeneous clinical presentation. It was previously proposed that variants can be broadly classified in two groups, ‘wild-type like’ (WTL) and ‘metal binding region’ (MBR) variants, based on their structural location and biophysical properties. MBR variants are associated with a loss of SOD1 enzymatic activity. In this study we used molecular dynamics and large clinical datasets to characterise the differences in the structural and dynamic behaviour of WTL and MBR variants with respect to the wild-type SOD1, and how such differences influence the ALS clinical phenotype. Our study identified marked structural differences, some of which are observed in both variant groups, while others are group specific. Moreover, applying graph theory to a network representation of the proteins, we identified differences in the intramolecular contacts of the two classes of variants. Finally, collecting clinical data of approximately 500 SOD1 ALS patients carrying variants from both classes, we showed that the survival time of patients carrying an MBR variant is generally longer (~6 years median difference, p < 0.001) with respect to patients with a WTL variant. In conclusion, our study highlights key differences in the dynamic behaviour of the WTL and MBR SOD1 variants, and wild-type SOD1 at an atomic and molecular level. We identified interesting structural features that could be further investigated to explain the associated phenotypic variability. Our results support the hypothesis of a decoupling between mechanisms of onset and progression of SOD1 ALS, and an involvement of loss-of-function of SOD1 with the disease progression.

We describe a novel computational method for genotyping repeats using sequence graphs. This method addresses the long-standing need to accurately genotype medically important loci containing repeats adjacent to other variants or imperfect DNA repeats such as polyalanine repeats. Here we introduce a new version of our repeat genotyping software, ExpansionHunter, that uses this method to perform targeted genotyping of a broad class of such loci.Availability and implementation ExpansionHunter is implemented in C++ and is available under the Apache License Version 2.0. The source code, documentation, and Linux/macOS binaries are available at .Contact meberle{at}illumina.com