Abstract Cortical thickness, surface area and volumes (MRI cortical measures) vary with age and cognitive function, and in neurological and psychiatric diseases. We examined heritability, genetic correlations and genome-wide associations of cortical measures across the whole cortex, and in 34 anatomically predefined regions. Our discovery sample comprised 22,822 individuals from 20 cohorts within the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the United Kingdom Biobank. Significant associations were replicated in the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-analysis (ENIGMA) consortium, and their biological implications explored using bioinformatic annotation and pathway analyses. We identified genetic heterogeneity between cortical measures and brain regions, and 161 genome-wide significant associations pointing to wnt/β-catenin, TGF-β and sonic hedgehog pathways. There was enrichment for genes involved in anthropometric traits, hindbrain development, vascular and neurodegenerative disease and psychiatric conditions. These data are a rich resource for studies of the biological mechanisms behind cortical development and aging.

Abstract Obesity, the accumulation of body fat to excess, may cause serious negative health effects, including increased risk of heart disease, type 2 diabetes, stroke and certain cancers. The biology of obesity is complex and not well understood, involving both environmental and genetic factors and affecting metabolic and endocrine mechanisms in tissues of the gut, adipose, and brain. Previous RNA sequencing studies have identified transcripts associated with obesity and body mass index in blood and fat, often using animal models, but RNA sequencing studies in human brain tissue related to obesity have not been previously undertaken. We conducted both large and small RNA sequencing of hypothalamus (207 samples) and nucleus accumbens (276 samples) from individuals defined as consistently obese (124 samples), consistently normal weight as controls (148 samples) or selected without respect to BMI and falling within neither case nor control definition (211 samples), based on longitudinal BMI measures. The samples were provided by three cohort studies with brain donation programs; the Framingham Heart Study (FHS), the Religious Orders Study (ROS) and the Rush Memory and Aging Project (MAP). For each brain region and large/small RNA sequencing set, differential expression of obesity, BMI, brain region and sex was performed. Analyses were done transcriptome-wide as well as with a priori defined sets of obesity or BMI-associated mRNAs and microRNAs (miRNAs). There are sixteen mRNAs and five microRNAs that are differentially expressed (adjusted p < 0.05) by obesity or BMI in these tissues, several of which were validated with qPCR data. The results include many that are BMI-associated, such as APOBR and CES1, as well as many associated with the immune system and some with addiction, such as the gene sets “cytokine signaling in immune system” and “opioid signaling”. In spite of the relatively large number of samples, our study was likely under-powered to detect other transcripts or miRNA with relevant but smaller effects.

Late-onset Alzheimers disease (LOAD, onset age > 60 years) is the most prevalent dementia in the elderly, and risk is partially driven by genetics. Many of the loci responsible for this genetic risk were identified by genome-wide association studies (GWAS). To identify additional LOAD risk loci, we performed the largest GWAS to date (89,769 individuals), analyzing both common and rare variants. We confirm 20 previous LOAD risk loci and identify four new genome-wide loci (IQCK, ACE, ADAM10, and ADAMTS1). Pathway analysis of these data implicates the immune system and lipid metabolism, and for the first time tau binding proteins and APP metabolism. These findings show that genetic variants affecting APP and Abeta processing are not only associated with early-onset autosomal dominant AD but also with LOAD. Analysis of AD risk genes and pathways show enrichment for rare variants (P = 1.32 x 10-7) indicating that additional rare variants remain to be identified.

Females with Alzheimer's disease (AD) suffer accelerated dementia and loss of cholinergic neurons compared to males, but the underlying mechanisms are unknown. Seeking causal contributors to both these phenomena, we pursued changes in tRNA fragments (tRFs) targeting cholinergic transcripts (CholinotRFs).We analyzed small RNA-sequencing data from the nucleus accumbens (NAc) brain region which is enriched in cholinergic neurons, compared to hypothalamic or cortical tissues from AD brains; and explored small RNA expression in neuronal cell lines undergoing cholinergic differentiation.NAc CholinotRFs of mitochondrial genome origin showed reduced levels that correlated with elevations in their predicted cholinergic-associated mRNA targets. Single cell RNA seq from AD temporal cortices showed altered sex-specific levels of cholinergic transcripts in diverse cell types; inversely, human-originated neuroblastoma cells under cholinergic differentiation presented sex-specific CholinotRF elevations.Our findings support CholinotRFs contributions to cholinergic regulation, predicting their involvement in AD sex-specific cholinergic loss and dementia.

The radial unit hypothesis provides a framework for global (proliferation) and regional (distribution) expansion of the primate cerebral cortex. Using principal component analysis (PCA), we have identified cortical regions with shared variance in their surface area and cortical thickness, respectively, segmented from magnetic resonance images obtained in 23,800 participants. We then carried out meta-analyses of genome-wide association studies of the first two principal components for each phenotype. For surface area (but not cortical thickness), we have detected strong associations between each of the components and single nucleotide polymorphisms in a number of gene loci. The first (global) component was associated mainly with loci on chromosome 17 (9.5e-32 ≤ p ≤ 2.8e-10), including those detected previously as linked with intracranial volume and/or general cognitive function. The second (regional) component captured shared variation in the surface area of the primary and adjacent secondary visual cortices and showed a robust association with polymorphisms in a locus on chromosome 14 containing Disheveled Associated Activator of Morphogenesis 1 ( DAAM1 ; p =2.4e-34). DAAM1 is a key component in the planar-cell-polarity signaling pathway. In follow-up studies, we have focused on the latter finding and established that: (1) DAAM1 is highly expressed between 12th and 22nd post-conception weeks in the human cerebral cortex; (2) genes co-expressed with DAAM1 in the primary visual cortex are enriched in mitochondria-related pathways; and (3) volume of the lateral geniculate nucleus, which projects to regions of the visual cortex staining for cytochrome oxidase (a mitochondrial enzyme), correlates with the surface area of the visual cortex in major-allele homozygotes but not in carriers of the minor allele. Altogether, we speculate that, in concert with thalamocortical input to cortical subplate, DAAM1 enables migration of neurons to cytochrome-oxidase rich regions of the visual cortex, and, in turn, facilitates regional expansion of this set of cortical regions during development.

Introductory paragraph Overexpression of the longevity gene Klotho prolongs, while its knockout shortens lifespan and impairs cognition via altered fibroblast growth factor signaling that perturbs myelination and synapse formation; however, comprehensive analysis of Klotho’s knockout consequences on mammalian brain transcriptomics is lacking. Here, we report the altered levels under Klotho knockout of 1059 long RNAs, 27 microRNAs (miRs) and 6 tRNA fragments (tRFs), reflecting effects upon aging and cognition. Perturbed transcripts included key neuronal and glial pathway regulators that are notably changed in murine models of aging and Alzheimer’s Disease (AD) and in corresponding human post-mortem brain tissue. To seek cell type distributions of the affected short RNAs, we isolated and FACS-sorted neurons and microglia from live human brain tissue, yielding detailed cell type-specific short RNA-seq datasets. Together, our findings revealed multiple Klotho deficiency-perturbed aging- and neurodegeneration-related long and short RNA transcripts in both neurons and glia from murine and human brain.

Atrial fibrillation is a prevalent arrhythmia associated with a five-fold increased risk of ischemic stroke, and specifically the cardioembolic stroke subtype. Genome-wide association studies of these traits have yielded overlapping risk loci, but genome-wide investigation of genetic susceptibility shared between stroke and atrial fibrillation is lacking. Comparing the genetic architectures of the two diseases could inform whether cardioembolic strokes are driven by inherited atrial fibrillation susceptibility, and may help elucidate ischemic stroke mechanisms. Here, we analyze genome-wide genotyping data and estimate SNP-based heritability in atrial fibrillation and cardioembolic stroke to be nearly identical (20.0% and 19.5%, respectively). Further, we find that the traits are genetically correlated (r=0.77 for SNPs with p < 4.4 x 10-4 in a previous atrial fibrillation meta-analysis). Clinical studies are warranted to assess whether genetic susceptibility to atrial fibrillation can be leveraged to improve the diagnosis and care of ischemic stroke patients.

Abstract A bidirectional communication exists between the brain and the gut, in which the gut microbiota influences cognitive function and vice-versa. Gut dysbiosis has been linked to several diseases, including Alzheimer’s disease and related dementias (ADRD). However, the relationship between gut dysbiosis and markers of cerebral small vessel disease (cSVD), a major contributor to ADRD, is unknown. In this cross-sectional study, we examined the connection between the gut microbiome, cognitive, and neuroimaging markers of cSVD in the Framingham Heart Study (FHS). Markers of cSVD included white matter hyperintensities (WMH), peak width of skeletonized mean diffusivity (PSMD), and executive function (EF), estimated as the difference between the trail-making tests B and A. We included 972 FHS participants with MRI scans, neurocognitive measures, and stool samples and quantified the gut microbiota composition using 16S rRNA sequencing. We used multivariable association and differential abundance analyses adjusting for age, sex, BMI, and education level to estimate the association between gut microbiota and WMH, PSMD, and EF measures. Our results suggest an increased abundance of Pseudobutyrivibrio and Ruminococcus genera was associated with lower WMH and PSMD (p-values < 0.001), as well as better executive function (p-values < 0.01). In addition, in both differential and multivariable analyses, we found that the gram-negative bacterium Barnesiella intestinihominis was strongly associated with markers indicating a higher cSVD burden. Finally, functional analyses using PICRUSt implicated various KEGG pathways, including microbial quorum sensing, AMP/GMP-activated protein kinase, phenylpyruvate, and β-hydroxybutyrate production previously associated with cognitive performance and dementia. Our study provides important insights into the association between the gut microbiome and cSVD, but further studies are needed to replicate the findings.

The Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) program seeks to elucidate the genetic architecture and disease biology of heart, lung, blood, and sleep disorders, with the ultimate goal of improving diagnosis, treatment, and prevention. The initial phases of the program focus on whole genome sequencing of individuals with rich phenotypic data and diverse backgrounds. Here, we describe TOPMed goals and design as well as resources and early insights from the sequence data. The resources include a variant browser, a genotype imputation panel, and sharing of genomic and phenotypic data via dbGaP. In 53,581 TOPMed samples, >400 million single-nucleotide and insertion/deletion variants were detected by alignment with the reference genome. Additional novel variants are detectable through assembly of unmapped reads and customized analysis in highly variable loci. Among the >400 million variants detected, 97% have frequency <1% and 46% are singletons. These rare variants provide insights into mutational processes and recent human evolutionary history. The nearly complete catalog of genetic variation in TOPMed studies provides unique opportunities for exploring the contributions of rare and non-coding sequence variants to phenotypic variation. Furthermore, combining TOPMed haplotypes with modern imputation methods improves the power and extends the reach of nearly all genome-wide association studies to include variants down to ~0.01% in frequency.

Abstract Bigger sample size can help to identify new genetic variants contributing to an increased risk of developing Alzheimer’s disease. However, the heterogeneity of the whole-exome sequencing (WES) data generation methods presents a challenge to a joint analysis. Here we present a bioinformatics strategy for joint calling 20,504 WES samples collected across nine studies and sequenced using ten different capture kits in fourteen sequencing centers in the Alzheimer’s Disease Sequencing Project. gVCFs of samples were joint-called by the Genome Center for Alzheimer’s Disease into a single VCF, containing only positions within the union of capture kits. The VCF was then processed using specific strategies to account for the batch effects arising from the use of different capture kits from different studies. We identified 8.2 million autosomal variants. 96.82% of the variants are high-quality, and are located in 28,579 Ensembl transcripts. 41% of the variants are intronic and 15% are missense variants. 1.8% of the variants are with CADD>30. Our new strategy for processing these diversely generated WES samples has shown to generate high-quality data. The improved ability to combine data sequenced in different batches benefits the whole genomics research community. The WES data are accessible to the scientific community via https://dss.niagads.org/ .