With recent findings connecting the Epstein-Barr virus to an increased risk of multiple sclerosis and growing concerns regarding the neurological impact of the coronavirus pandemic, we examined potential links between viral exposures and neurodegenerative disease risk. Using time series data from FinnGen for discovery and cross-sectional data from the UK Biobank for replication, we identified 45 viral exposures significantly associated with increased risk of neurodegenerative disease and replicated 22 of these associations. The largest effect association was between viral encephalitis exposure and Alzheimer's disease. Influenza with pneumonia was significantly associated with five of the six neurodegenerative diseases studied. We also replicated the Epstein-Barr/multiple sclerosis association. Some of these exposures were associated with an increased risk of neurodegeneration up to 15 years after infection. As vaccines are currently available for some of the associated viruses, vaccination may be a way to reduce some risk of neurodegenerative disease.

Macronutrient intake, the proportion of calories consumed from carbohydrate, fat, and protein, is an important risk factor for metabolic diseases with significant familial aggregation. Previous studies have identified two genetic loci for macronutrient intake, but incomplete coverage of genetic variation and modest sample sizes have hindered the discovery of additional loci. Here, we expanded the genetic landscape of macronutrient intake, identifying 12 suggestively significant loci (P < 1 × 10−6) associated with intake of any macronutrient in 91,114 European ancestry participants. Four loci replicated and reached genome-wide significance in a combined meta-analysis including 123,659 European descent participants, unraveling two novel loci; a common variant in RARB locus for carbohydrate intake and a rare variant in DRAM1 locus for protein intake, and corroborating earlier FGF21 and FTO findings. In additional analysis of 144,770 participants from the UK Biobank, all identified associations from the two-stage analysis were confirmed except for DRAM1. Identified loci might have implications in brain and adipose tissue biology and have clinical impact in obesity-related phenotypes. Our findings provide new insight into biological functions related to macronutrient intake.

ABSTRACT Microglia are emerging as key drivers of neurological diseases. However, we lack a systematic understanding of the underlying mechanisms. Here, we present a screening platform to systematically elucidate functional consequences of genetic perturbations in human iPSC-derived microglia. We developed an efficient eight-day protocol for the generation of microglia-like cells based on the inducible expression of six transcription factors. We established inducible CRISPR interference and activation in this system and conducted three screens targeting the “druggable genome”. These screens uncovered genes controlling microglia survival, activation and phagocytosis, including neurodegeneration-associated genes. A screen with single-cell RNA sequencing as the readout revealed that these microglia adopt a spectrum of states mirroring those observed in human brains and identified regulators of these states. A disease-associated state characterized by SPP1 expression was selectively depleted by CSF1R inhibition. Thus, our platform can systematically uncover regulators of microglia states, enabling their functional characterization and therapeutic targeting.

Smoking is a potentially causal behavioral risk factor for type 2 diabetes (T2D), but not all smokers develop T2D. It is unknown whether genetic factors partially explain this variation. We performed genome-environment-wide interaction studies to identify loci exhibiting potential interaction with baseline smoking status (ever vs. never) on incident T2D and fasting glucose (FG). Analyses were performed in participants of European (EA) and African ancestry (AA) separately. Discovery analyses were conducted using genotype data from the 50,000-single-nucleotide polymorphism (SNP) ITMAT-Broad-CARe (IBC) array in 5 cohorts from from the Candidate Gene Association Resource Consortium (n = 23,189). Replication was performed in up to 16 studies from the Cohorts for Heart Aging Research in Genomic Epidemiology Consortium (n = 74,584). In meta-analysis of discovery and replication estimates, 5 SNPs met at least one criterion for potential interaction with smoking on incident T2D at p<1x10-7 (adjusted for multiple hypothesis-testing with the IBC array). Two SNPs had significant joint effects in the overall model and significant main effects only in one smoking stratum: rs140637 (FBN1) in AA individuals had a significant main effect only among smokers, and rs1444261 (closest gene C2orf63) in EA individuals had a significant main effect only among nonsmokers. Three additional SNPs were identified as having potential interaction by exhibiting a significant main effects only in smokers: rs1801232 (CUBN) in AA individuals, rs12243326 (TCF7L2) in EA individuals, and rs4132670 (TCF7L2) in EA individuals. No SNP met significance for potential interaction with smoking on baseline FG. The identification of these loci provides evidence for genetic interactions with smoking exposure that may explain some of the heterogeneity in the association between smoking and T2D.

Abstract Fully automated proteomic pipelines have the potential to achieve deep coverage of cellular proteomes with high throughput and scalability. However, it is important to evaluate performance, including both reproducibility and ability to provide meaningful levels of biological insight. Here, we present an approach combining high field asymmetric waveform ion mobility spectrometer (FAIMS) interface and data independent acquisition (DIA) proteomics approach developed as part of the induced pluripotent stem cell (iPSC) Neurodegenerative Disease Initiative (iNDI), a large-scale effort to understand how inherited diseases may manifest in neuronal cells. Our FAIMS-DIA approach identified more than 8000 proteins per mass spectrometry (MS) acquisition as well as superior total identification, reproducibility, and accuracy compared to other existing DIA methods. Next, we applied this approach to perform a longitudinal proteomic profiling of the differentiation of iPSC-derived neurons from the KOLF2.1J parental line used in iNDI. This analysis demonstrated a steady increase in expression of mature cortical neuron markers over the course of neuron differentiation. We validated the performance of our proteomics pipeline by comparing it to single cell RNA-Seq datasets obtained in parallel, confirming expression of key markers and cell type annotations. An interactive webapp of this temporal data is available for aligned-UMAP visualization and data browsing ( https://share.streamlit.io/anant-droid/singlecellumap ). In summary, we report an extensively optimized and validated proteomic pipeline that will be suitable for large-scale studies such as iNDI.

Abstract The mammalian spinal cord functions as a community of glial and neuronal cell types to accomplish sensory processing, autonomic control, and movement; conversely, the dysfunction of these cell types following spinal cord injury or disease states can lead to chronic pain, paralysis, and death. While we have made great strides in understanding spinal cellular diversity in animal models, it is crucial to characterize human biology directly to uncover specialized features of basic function and to illuminate human pathology. Here, we present a cellular taxonomy of the adult human spinal cord using single nucleus RNA-sequencing with spatial transcriptomics and antibody validation. We observed 29 glial clusters, including rare cell types such as ependymal cells, and 35 neuronal clusters, which we found are organized principally by anatomical location. To demonstrate the potential of this resource for understanding human disease, we analyzed the transcriptome of spinal motoneurons that are prone to degeneration in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and other diseases. We found that, compared with all other spinal neurons, human motoneurons are defined by genes related to cell size, cytoskeletal structure, and ALS, thereby supporting a model of a specialized motoneuron molecular repertoire that underlies their selective vulnerability to disease. We include a publicly available browsable web resource with this work, in the hope that it will catalyze future discoveries about human spinal cord biology.

Abstract Single-cell transcriptomics provide a systematic map of gene expression in different human cell types. The next challenge is to systematically understand cell-type specific gene function. The integration of CRISPR-based functional genomics and stem cell technology enables the scalable interrogation of gene function in differentiated human cells. Here, we present the first genomewide CRISPR interference and CRISPR activation screens in human neurons. We uncover pathways controlling neuronal response to chronic oxidative stress, which is implicated in neurodegenerative diseases. Unexpectedly, knockdown of the lysosomal protein prosaposin strongly sensitizes neurons, but not other cell types, to oxidative stress by triggering the formation of lipofuscin, a hallmark of aging, which traps iron, generating reactive oxygen species and triggering ferroptosis. We also determine transcriptomic changes in neurons following perturbation of genes linked to neurodegenerative diseases. To enable the systematic comparison of gene function across different human cell types, we establish a data commons named CRISPRbrain.

Abstract Human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines are a powerful tool for studying development and disease, but the considerable phenotypic variation between lines makes it challenging to replicate key findings and integrate data across research groups. To address this issue, we sub-cloned candidate iPSC lines and deeply characterised their genetic properties using whole genome sequencing, their genomic stability upon CRISPR/Cas9-based gene editing, and their phenotypic properties including differentiation to commonly-used cell types. These studies identified KOLF2.1J as an all-around well-performing iPSC line. We then shared KOLF2.1J with groups around the world who tested its performance in head-to-head comparisons with their own preferred iPSC lines across a diverse range of differentiation protocols and functional assays. On the strength of these findings, we have made KOLF2.1J and hundreds of its gene-edited derivative clones readily accessible to promote the standardization required for large-scale collaborative science in the stem cell field. Summary The authors of this collaborative study deeply characterized human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines to rationally select a clonally-derived cell line that performs well across multiple modalities. KOLF2.1J was identified as a candidate reference cell line based on single-cell analysis of its gene expression in the pluripotent state, whole genome sequencing, genomic stability after highly efficient CRISPR-mediated gene editing, integrity of the p53 pathway, and the efficiency with which it differentiated into multiple target cell populations. Since it is deeply characterized and can be readily acquired, KOLF2.1J is an attractive reference cell line for groups working with iPSCs. Graphical abstract

Abstract The FOUNdational Data INitiative for Parkinson’s Disease (FOUNDIN-PD) is an international collaboration producing fundamental resources for Parkinson’s disease (PD). FOUNDIN-PD generated a multi-layered molecular dataset in a cohort of induced pluripotent stem cell (iPSC) lines differentiated to dopaminergic (DA) neurons, a major affected cell type in PD. The lines were derived from the Parkinson’s Progression Markers Initiative study including participants with PD carrying monogenic PD ( SNCA ) variants, variants with intermediate effects and variants identified by genome-wide association studies and unaffected individuals. We generated genetic, epigenetic, regulatory, transcriptomic, and longitudinal cellular imaging data from iPSC-derived DA neurons to understand molecular relationships between disease associated genetic variation and proximate molecular events. These data reveal that iPSC-derived DA neurons provide a valuable cellular context and foundational atlas for modelling PD genetic risk. We have integrated these data into a FOUNDIN-PD data browser ( https://www.foundinpd.org ) as a resource for understanding the molecular pathogenesis of PD.

Abstract Background Several reports have identified different patterns of Parkinson’s disease progression in individuals carrying missense variants in the GBA or LRRK2 genes. The overall contribution of genetic factors to the severity and progression of Parkinson’s disease, however, has not been well studied. Objectives To test the association between genetic variants and the clinical features and progression of Parkinson’s disease on a genome-wide scale. Methods We accumulated individual data from 12 longitudinal cohorts in a total of 4,093 patients with 25,254 observations over a median of 3.81 years. Genome-wide associations were evaluated for 25 cross-sectional and longitudinal phenotypes. Specific variants of interest, including 90 recently-identified disease risk variants, were also investigated for the associations with these phenotypes. Results Two variants were genome-wide significant. Rs382940(T>A), within the intron of SLC44A1 , was associated with reaching Hoehn and Yahr stage 3 or higher faster (HR 2.04 [1.58, 2.62], P-value = 3.46E-8). Rs61863020(G>A), an intergenic variant and eQTL for ADRA2A , was associated with a lower prevalence of insomnia at baseline (OR 0.63 [0,52, 0.75], P-value = 4.74E-8). In the targeted analysis, we found nine associations between known Parkinson’s risk variants and more severe motor/cognitive symptoms. Also, we replicated previous reports of GBA coding variants (rs2230288: p.E365K, rs75548401: p.T408M) being associated with greater motor and cognitive decline over time, and APOE E4 tagging variant (rs429358) being associated with greater cognitive deficits in patients. Conclusions We identified novel genetic factors associated with heterogeneity of progression in Parkinson’s disease. The results provide new insights into the pathogenesis of Parkinson’s disease as well as patient stratification for clinical trials.