Clinical laboratory tests are a critical component of the continuum of care. We evaluate the genetic basis of 35 blood and urine laboratory measurements in the UK Biobank (n = 363,228 individuals). We identify 1,857 loci associated with at least one trait, containing 3,374 fine-mapped associations and additional sets of large-effect (>0.1 s.d.) protein-altering, human leukocyte antigen (HLA) and copy number variant (CNV) associations. Through Mendelian randomization (MR) analysis, we discover 51 causal relationships, including previously known agonistic effects of urate on gout and cystatin C on stroke. Finally, we develop polygenic risk scores (PRSs) for each biomarker and build ‘multi-PRS’ models for diseases using 35 PRSs simultaneously, which improved chronic kidney disease, type 2 diabetes, gout and alcoholic cirrhosis genetic risk stratification in an independent dataset (FinnGen; n = 135,500) relative to single-disease PRSs. Together, our results delineate the genetic basis of biomarkers and their causal influences on diseases and improve genetic risk stratification for common diseases. Genetic analysis of 35 blood and urine laboratory measurements from 363,228 individuals identifies 1,857 loci associated with at least one laboratory value.

Abstract Clinical laboratory tests are a critical component of the continuum of care and provide a means for rapid diagnosis and monitoring of chronic disease. In this study, we systematically evaluated the genetic basis of 38 blood and urine laboratory tests measured in 358,072 participants in the UK Biobank and identified 1,857 independent loci associated with at least one laboratory test, including 488 large-effect protein truncating, missense, and copy-number variants. We tested these loci for enrichment in specific single cell types in kidney, liver, and pancreas relevant to disease aetiology. We then causally linked the biomarkers to medically relevant phenotypes through genetic correlation and Mendelian randomization. Finally, we developed polygenic risk scores (PRS) for each biomarker and built multi-PRS models using all 38 PRSs simultaneously. We found substantially improved prediction of incidence in FinnGen (n=135,500) with the multi-PRS relative to single-disease PRSs for renal failure, myocardial infarction, liver fat percentage, and alcoholic cirrhosis. Together, our results show the genetic basis of these biomarkers, which tissues contribute to the biomarker function, the causal influences of the biomarkers, and how we can use this to predict disease.

Abstract Regular exercise promotes whole-body health and prevents disease, yet the underlying molecular mechanisms throughout a whole organism are incompletely understood. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) profiled the temporal transcriptome, proteome, metabolome, lipidome, phosphoproteome, acetylproteome, ubiquitylproteome, epigenome, and immunome in whole blood, plasma, and 18 solid tissues in Rattus norvegicus over 8 weeks of endurance exercise training. The resulting data compendium encompasses 9466 assays across 19 tissues, 25 molecular platforms, and 4 training time points in young adult male and female rats. We identified thousands of shared and tissue- and sex-specific molecular alterations. Temporal multi-omic and multi-tissue analyses demonstrated distinct patterns of tissue remodeling, with widespread regulation of immune, metabolism, heat shock stress response, and mitochondrial pathways. These patterns provide biological insights into the adaptive responses to endurance training over time. For example, exercise training induced heart remodeling via altered activity of the Mef2 family of transcription factors and tyrosine kinases. Translational analyses revealed changes that are consistent with human endurance training data and negatively correlated with disease, including increased phospholipids and decreased triacylglycerols in the liver. Sex differences in training adaptation were widespread, including those in the brain, adrenal gland, lung, and adipose tissue. Integrative analyses generated novel hypotheses of disease relevance, including candidate mechanisms that link training adaptation to non-alcoholic fatty liver disease, inflammatory bowel disease, cardiovascular health, and tissue injury and recovery. The data and analysis results presented in this study will serve as valuable resources for the broader community and are provided in an easily accessible public repository ( https://motrpac-data.org/ ). Highlights Multi-tissue resource identifies 35,439 analytes regulated by endurance exercise training at 5% FDR across 211 combinations of tissues and molecular platforms. Interpretation of systemic and tissue-specific molecular adaptations produced hypotheses to help describe the health benefits induced by exercise. Robust sex-specific responses to endurance exercise training are observed across multiple organs at the molecular level. Deep multi-omic profiling of six tissues defines regulatory signals for tissue adaptation to endurance exercise training. All data are available in a public repository, and processed data, analysis results, and code to reproduce major analyses are additionally available in convenient R packages.

ABSTRACT Tumors acquire alterations in oncogenes and tumor suppressor genes in an adaptive walk through the fitness landscape of tumorigenesis. However, the features of this landscape remain poorly understood and cannot be revealed by human cancer genotyping alone. Here, we use a multiplexed, autochthonous mouse platform to model and quantify the initiation and growth of more than one hundred genotypes of lung tumors across four oncogenic contexts: KRAS G12D, KRAS G12C, BRAF V600E, and EGFR L858R. The resulting fitness landscape is rugged (the effect of tumor suppressor inactivation often switches between beneficial and deleterious depending on the oncogenic context), shows no evidence of diminishing-returns epistasis within variants of the same oncogene, and is inconsistent with expectations of a simple linear signaling relationship among these three oncogenes. Our findings suggest that tumor suppressor effects are strongly context-specific, which limits the set of evolutionary paths that can be taken through the fitness landscape.

Abstract Subcutaneous white adipose tissue (scWAT) is a dynamic storage and secretory organ that regulates systemic homeostasis, yet the impact of endurance exercise training and sex on its molecular landscape has not been fully established. Utilizing an integrative multi-omics approach with data generated by the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC), we identified profound sexual dimorphism in the dynamic response of rat scWAT to endurance exercise training. Despite similar cardiorespiratory improvements, only male rats reduced whole-body adiposity, scWAT adipocyte size, and total scWAT triglyceride abundance with training. Multi-omic analyses of adipose tissue integrated with phenotypic measures identified sex-specific training responses including enrichment of mTOR signaling in females, while males displayed enhanced mitochondrial ribosome biogenesis and oxidative metabolism. Overall, this study reinforces our understanding that sex impacts scWAT biology and provides a rich resource to interrogate responses of scWAT to endurance training.

Abstract Genome-wide association studies (GWAS) are often performed on ratios composed of a numerator trait divided by a denominator trait. Examples include body mass index (BMI) and the waist-to-hip ratio, among many others. Explicitly or implicitly, the goal of forming the ratio is typically to adjust the numerator for the denominator. While forming ratios may be clinically expedient, there are several important issues with performing GWAS on ratios. Forming a ratio does not “adjust” for the denominator in the sense of holding it constant, and it is unclear whether associations with ratios are attributable to the numerator, the denominator, or both. Here we demonstrate that associations arising in ratio GWAS can be entirely denominator-driven, implying that at least some associations uncovered by ratio GWAS may be due solely to a putative adjustment variable. In a survey of 10 exemplar ratios, we find that the ratio model disagrees with the adjusted model (performing GWAS on the numerator while conditioning on the denominator) at around 1/3 of loci. Using BMI as an example, we show that variants detected by only the ratio model are more strongly associated with the denominator (height), while variants detected by only the adjusted model are more strongly associated with the numerator (weight). Although the adjusted model provides effect sizes with a clearer interpretation, it is susceptible to collider bias. We propose and validate a simple method of correcting for the genetic collider bias via leave-one-chromosome-out polygenic scoring.

Mitochondria are adaptable organelles with diverse cellular functions critical to whole-body metabolic homeostasis. While chronic endurance exercise training is known to alter mitochondrial activity, these adaptations have not yet been systematically characterized. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) mapped the longitudinal, multi-omic changes in mitochondrial analytes across 19 tissues in male and female rats endurance trained for 1, 2, 4 or 8 weeks. Training elicited substantial changes in the adrenal gland, brown adipose, colon, heart and skeletal muscle, while we detected mild responses in the brain, lung, small intestine and testes. The colon response was characterized by non-linear dynamics that resulted in upregulation of mitochondrial function that was more prominent in females. Brown adipose and adrenal tissues were characterized by substantial downregulation of mitochondrial pathways. Training induced a previously unrecognized robust upregulation of mitochondrial protein abundance and acetylation in the liver, and a concomitant shift in lipid metabolism. The striated muscles demonstrated a highly coordinated response to increase oxidative capacity, with the majority of changes occurring in protein abundance and post-translational modifications. We identified exercise upregulated networks that are downregulated in human type 2 diabetes and liver cirrhosis. In both cases HSD17B10, a central dehydrogenase in multiple metabolic pathways and mitochondrial tRNA maturation, was the main hub. In summary, we provide a multi-omic, cross-tissue atlas of the mitochondrial response to training and identify candidates for prevention of disease-associated mitochondrial dysfunction.

Introduction: Exercise is critical to cardiovascular health. However, the underlying molecular mechanisms are not well described. The Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) seeks to create a detailed molecular map of the response to exercise. Described here is the first human cohort of MoTrPAC, enrolled prior to the COVID-19 shutdown (N=175). Methods: Healthy, sedentary adults were randomized to an 8-exercise circuit of resistance exercise (RE, N=73), a 40 minute submaximal endurance exercise bout (EE, N=65), or to non-exercising control (N=37). Blood, muscle, and adipose tissue were sampled at 4-7 time points relative to exercise, depending on tissue/modality. Samples were deep phenotyped across multiple omic domains including chromatin accessibility, transcriptomics, proteomics, phosphoproteomics, and metabolomics. Results: The cohort was 72% female, with a mean±sd age of 41±15 years and BMI of 27.1±4.0 kg/m2. Exercise affected over 34,000 molecular features in ≥1 tissue/time point including a high proportion of transcriptomic and phosphoproteomic features (Figure A). Molecular signatures were compared between EE and RE: enrichment analysis of muscle phosphoproteomics showed a greater activation of MAP kinases in RE compared to EE at all time points. To identify plausible exerkines (secreted molecules signaling an acute exercise bout), differentially abundant features in any sampled tissue cells were compared to temporally-matched cognate protein levels in plasma, yielding 110 features. A known exerkine, CX3CL1 (fractalkine) was identified, in addition to novel candidates, such as cellular communication network factor 1 (CCN1), a secreted extracellular matrix protein linked to plasma triglyceride levels, which showed increased abundance early post exercise (Figure B). Network analysis across tissues and omes identified novel transcription factor “hubs” as candidate master regulators of exercise response. Conclusions: These first MoTrPAC data represent an unparalleled multi-tissue, multi-omic, multi-time point, multi-modality map of acute exercise, enhancing our understanding of the molecular transducers that may link exercise and cardiovascular health.

Availability of large genetic databases has led to the development of powerful causal inference methods that use genetic variables as instruments to estimate causal effects. Such methods typically make many assumptions about the underlying causal graphical model, are limited in the patterns they search for in the data, and there is no guide for systematic analysis of a large database. Here, we present cGAUGE, a new pipeline for causal Graphical Analysis Using GEnetics that utilizes large changes in the significance of local conditional independencies between the genetic instruments and the phenotypes. We detect cases where causal inference can be performed with minimal risk of horizontal pleiotropy. Moreover, we search for new graphical patterns to reveal novel information about the underlying causal diagram that is not covered by extant methods, including new direct links, colliders, and evidence for confounding. We present theoretical justification, simulations, and apply our pipeline to 70 complex phenotypes from 337,198 subjects from the UK Biobank. Our results cover 102 detected causal relationships, of which some are new and many are expected. For example, we detect a direct causal link from high cholesterol to angina and a feedback loop between angina and myocardial infarction. We also corroborate a recent observational link between asthma and Crohn's disease. Finally, we detect important features of the causal network structure including several causal hubs such as intelligence and waist circumference.

Background: Hand grip strength, a simple indicator of muscular strength, has been associated with a range of health conditions, including fractures, disability, cardiovascular disease and premature death risk. Twin studies have suggested a high (50-60%) heritability, but genetic determinants are largely unknown. Aims: In this study, our aim was to study genetic variation associated with muscular strength in a large sample of 334,925 individuals of European descent from the UK Biobank, and to evaluate shared genetic aetiology with and causal effects of grip strength on physical and cognitive health. Methods and Results: In our discovery analysis of 223,315 individuals, we identified 101 loci associated with grip strength at genome-wide significance (P<5e-8). Of these, 64 were associated (P<0.01 and consistent direction) also in the replication dataset (N=111,610). Many of the lead SNPs were located in or near genes known to have a function in developmental disorders (FTO, SLC39A8, TFAP2B, TGFA, CELF1, TCF4, BDNF, FOXP1, KIF1B, ANTXR2), and one of the most significant genes based on a gene-based analysis (ATP2A1) encodes SERCA1, the critical enzyme in calcium uptake to the sarcoplasmic reticulum, which plays a major role in muscle contraction and relaxation. Further, we demonstrated a significant enrichment of gene expression in brain-related transcripts among grip strength associations. Finally, we observed inverse genetic correlations of grip strength with cardiometabolic traits, and positive correlation with parents' age of death and education; and showed that grip strength was causally related to fitness, physical activity and other indicators of frailty, including cognitive performance scores. Conclusions: In our study of over 330,000 individuals from the general population, the genetic findings for hand grip strength suggest an important role of the central nervous system in strength performance. Further, our results indicate that maintaining good muscular strength is important for physical and cognitive performance and healthy aging.