ABSTRACT We analyzed whole genome and RNA sequencing data from 2,733 African American and Hispanic/Latino children to explore ancestry- and heterozygosity-related differences in the genetic architecture of whole blood gene expression. We found that heritability of gene expression significantly increases with greater proportion of African genetic ancestry and decreases with higher levels of Indigenous American ancestry, consistent with a relationship between heterozygosity and genetic variance. Among heritable protein-coding genes, the prevalence of statistically significant ancestry-specific expression quantitative trait loci (anc-eQTLs) was 30% in African ancestry and 8% for Indigenous American ancestry segments. Most of the anc-eQTLs (89%) were driven by population differences in allele frequency, demonstrating the importance of measuring gene expression across multiple populations. Transcriptome-wide association analyses of multi-ancestry summary statistics for 28 traits identified 79% more gene-trait pairs using models trained in our admixed population than models trained in GTEx. Our study highlights the importance of large and ancestrally diverse genomic studies for enabling new discoveries of complex trait architecture and reducing disparities.

ABSTRACT Cancer risk is determined by a complex interplay of environmental and heritable factors. Polygenic risk scores (PRS) provide a personalized genetic susceptibility profile that may be leveraged for disease prediction. Using data from the UK Biobank (413,753 individuals; 22,755 incident cancer cases), we quantify the added predictive value of integrating cancer-specific PRS with family history and modifiable risk factors for 16 cancers. We show that incorporating PRS measurably improves prediction accuracy for most cancers, but the magnitude of this improvement varies substantially. We also demonstrate that stratifying on levels of PRS identifies significantly divergent 5-year risk trajectories after accounting for family history and modifiable risk factors. At the population level, the top 20% of the PRS distribution accounts for 4.0% to 30.3% of incident cancer cases, exceeding the impact of many lifestyle-related factors. In summary, this study illustrates the potential for improving cancer risk assessment by integrating genetic risk scores.

Over the last 15 years we have identified hundreds of inherited variants that increase the risk of developing cancer. Polygenic risk scores (PRS) summarize the genetic risk of each individual by accounting for the unique combination of risk alleles in their genome. So far, most studies of PRS in cancer have focused on their predictive value: i.e. to what extent the PRS can predict which individuals will develop a particular cancer type. In parallel, for most cancers, we have identified several subtypes based on their somatic molecular properties. However, little is known about the relationship between the somatic molecular subtypes of cancer and PRS and it is possible that PRS preferentially predict specific cancer subtypes. Since cancer subtypes can have very different outcomes, treatment options and molecular vulnerabilities, answering this question is very important to understand the consequences that widespread PRS use would have in which tumors are detected early. Here we used data from The Cancer Genome Atlas (TCGA) to study the correlation between PRS for different forms of cancer and the landscape of somatic alterations in the tumors developed by each patient. We first validated the predictive power of 8 different PRS in TCGA and describe how PRS for some cancer types are associated with specific molecular subtypes or somatic cancer driver events. Our results highlight important questions that could improve the predictive power of PRS and that need to be answered before their widespread clinical implementation.

Abstract Background Albuterol is the first-line asthma medication used in diverse populations. Although DNA methylation (DNAm) is an epigenetic mechanism involved in asthma and bronchodilator drug response (BDR), no study has assessed whether albuterol could induce changes in the airway epithelial methylome. We aimed to characterize albuterol-induced DNAm changes in airway epithelial cells, and assess potential functional consequences and the influence of genetic variation and asthma-related clinical variables. Results We followed a discovery and validation study design to characterize albuterol-induced DNAm changes in paired airway epithelial cultures stimulated in vitro with albuterol. In the discovery phase, an epigenome-wide association study using paired nasal epithelial cultures from Puerto Rican children ( n = 97) identified 22 CpGs genome-wide associated with repeated-use albuterol treatment ( p < 9 × 10 –8 ). Albuterol predominantly induced a hypomethylation effect on CpGs captured by the EPIC array across the genome (probability of hypomethylation: 76%, p value = 3.3 × 10 –5 ). DNAm changes on the CpGs cg23032799 ( CREB3L1 ), cg00483640 ( MYLK4-LINC01600 ), and cg05673431 ( KSR1 ) were validated in nasal epithelia from 10 independent donors (false discovery rate [FDR] < 0.05). The effect on the CpG cg23032799 ( CREB3L1 ) was cross-tissue validated in bronchial epithelial cells at nominal level ( p = 0.030). DNAm changes in these three CpGs were shown to be influenced by three independent genetic variants (FDR < 0.05). In silico analyses showed these polymorphisms regulated gene expression of nearby genes in lungs and/or fibroblasts including KSR1 and LINC01600 (6.30 × 10 –14 ≤ p ≤ 6.60 × 10 –5 ). Additionally, hypomethylation at the CpGs cg10290200 ( FLNC ) and cg05673431 (KSR1 ) was associated with increased gene expression of the genes where they are located (FDR < 0.05). Furthermore, while the epigenetic effect of albuterol was independent of the asthma status, severity, and use of medication, BDR was nominally associated with the effect on the CpG cg23032799 ( CREB3L1) ( p = 0.004). Gene-set enrichment analyses revealed that epigenomic modifications of albuterol could participate in asthma-relevant processes (e.g., IL-2, TNF-α, and NF-κB signaling pathways). Finally, nine differentially methylated regions were associated with albuterol treatment, including CREB3L1 , MYLK4 , and KSR1 (adjusted p value < 0.05). Conclusions This study revealed evidence of epigenetic modifications induced by albuterol in the mucociliary airway epithelium. The epigenomic response induced by albuterol might have potential clinical implications by affecting biological pathways relevant to asthma.

Background The epigenetic mechanisms of asthma remain largely understudied in African Americans and Hispanics/Latinos, two populations disproportionately affected by asthma. We aimed to identify markers, regions and processes with differential patterns of DNA methylation (DNAm) in whole blood by asthma status in ethnically diverse children and youth, and to assess their functional consequences. Methods DNAm levels were profiled with the Infinium MethylationEPIC or HumanMethylation450 BeadChip arrays among 1226 African Americans or Hispanics/Latinos and assessed for differential methylation per asthma status at the CpG and region (differentially methylated region (DMR)) level. Novel associations were validated in blood and/or nasal epithelium from ethnically diverse children and youth. The functional and biological implications of the markers identified were investigated by combining epigenomics with transcriptomics from study participants. Results 128 CpGs and 196 DMRs were differentially methylated after multiple testing corrections, including 92.3% and 92.8% novel associations, respectively. 41 CpGs were replicated in other Hispanics/Latinos, prioritising cg17647904 ( NCOR2 ) and cg16412914 ( AXIN1 ) as asthma DNAm markers. Significant DNAm markers were enriched in previous associations for asthma, fractional exhaled nitric oxide, bacterial infections, immune regulation or eosinophilia. Functional annotation highlighted epigenetically regulated gene networks involved in corticosteroid response, host defence and immune regulation. Several implicated genes are targets for approved or experimental drugs, including TNNC1 and NDUFA12 . Many differentially methylated loci previously associated with asthma were validated in our study. Conclusions We report novel whole-blood DNAm markers for asthma underlying key processes of the disease pathophysiology and confirm the transferability of previous asthma DNAm associations to ethnically diverse populations.

Abstract Genome-wide association studies (GWAS) have become well-powered to detect loci associated with telomere length. However, no prior work has validated genes nominated by GWAS to examine their role in telomere length regulation. We conducted a multi-ancestry meta-analysis of 211,369 individuals and identified five novel association signals. Enrichment analyses of chromatin state and cell-type heritability suggested that blood/immune cells are the most relevant cell type to examine telomere length association signals. We validated specific GWAS associations by overexpressing KBTBD6 or POP5 and demonstrated that both lengthened telomeres. CRISPR/Cas9 deletion of the predicted causal regions in K562 blood cells reduced expression of these genes, demonstrating that these loci are related to transcriptional regulation of KBTBD6 and POP5 . Our results demonstrate the utility of telomere length GWAS in the identification of telomere length regulation mechanisms and validate KBTBD6 and POP5 as genes affecting telomere length regulation.

Abstract Despite tremendous progress in detecting DNA variants associated with human disease, interpreting their functional impact in a high-throughput and base-pair resolution manner remains challenging. Here, we develop a novel pooled prime editing screen method, PRIME, which can be applied to characterize thousands of coding and non-coding variants in a single experiment with high reproducibility. To showcase its applications, we first identified essential nucleotides for a 716 bp MYC enhancer via PRIME-mediated saturation mutagenesis. Next, we applied PRIME to functionally characterize 1,304 non-coding variants associated with breast cancer and 3,699 variants from ClinVar. We discovered that 103 non-coding variants and 156 variants of uncertain significance are functional via affecting cell fitness. Collectively, we demonstrate PRIME capable of characterizing genetic variants at base-pair resolution and scale, advancing accurate genome annotation for disease risk prediction, diagnosis, and therapeutic target identification.

Abstract Telomere length genome-wide association studies (GWAS) have become well-powered to detect novel genes in telomere length regulation. However, no prior work has validated these putative novel genes to confirm the contribution of GWAS loci to telomere length regulation. We conducted a trans-ancestry meta-analysis of 211,369 individuals. Through enrichment analyses of chromatin state and cell-type heritability we identified blood and immune cells as the most relevant cell type to examine telomere length association signals. We validated specific GWAS associations by overexpressing KBTBD6 , a component of an E3 ubiquitin ligase complex, and POP5 , a component of the Ribonuclease P/MRP complex, and demonstrating that both lengthened telomeres as predicted by our statistical analyses. CRISPR/Cas9 deletion of the predicted causal regions of these association peaks in K562 immortalized blood cells reduced expression of these genes, demonstrating that these loci are related to transcriptional regulation of KBTBD6 and POP5 , respectively. Together our results demonstrate the utility of telomere length GWAS in the identification of novel telomere length regulation mechanisms and highlight the importance of the proteasome-ubiquitin pathway in telomere length regulation.

The Sephardim are a major Jewish ethnic division whose origins can be traced back to the Iberian Peninsula. We used genome-wide SNP data to investigate the degree of Sephardic admixture in seven populations from the Iberian Peninsula and surrounding regions in the aftermath of their religious persecution starting in the late 14th century. To this end, we used Eastern Mediterranean (from South Italy, Greece and Israel) and North African (Tunisian and Moroccan) populations as proxies for the major ancestral components found in the target populations and carried out unlinked- and linked-marker analyses on the available genetic data. We report evidence of Sephardic ancestry in some of our Iberian samples, as well as in North Italy and Tunisia. We find the Sephardic admixture to be more recent relative to the Berber admixture following an out-of-Iberia geographic dispersal, suggesting Sephardic gene flow from Spain outwards. We also report some of the challenges in assigning Sephardic ancestry to potentially admixed individuals due to the lack of a clear genetic signature.

Background: Breast cancer is a partially heritable trait and over 180 common genetic variants have been associated with breast cancer in genome wide association studies (GWAS). We have previously performed breast cancer GWAS in Latinas and identified a strongly protective single nucleotide polymorphism (SNP) at 6q25 with the protective minor allele originating from Indigenous American ancestry. Here we report on additional GWAS and replication in Latinas. Methods: We performed GWAS in 2385 cases and 7342 controls who were either U.S. Latinas or Mexican women. We replicated 2412 cases and 1620 controls of U.S Latina, Mexican, and Colombian women. In addition, we replicated the top novel variants in study of African American and African women and in one study of Chinese women. In each dataset we used logistic regression models to test the association between SNPs and breast cancer risk and corrected for genetic ancestry using either principal components or genetic ancestry inferred from ancestry informative markers using a model based approach. Results: We identified 3 SNPs (p=1.9x10-8 − 2.8x10-8) at 6q25 locus not in linkage disequilibrium (LD) with variants previously reported at this locus. These SNPs were in high LD with each other, with the top SNP, rs3778609, associated with breast cancer with an odds ratio (OR) and 95% confidence interval (95% CI) of 0.75 (0.68-0.83). In a replication in women of Latin American origin, we also observed a consistent effect (OR: 0.88; 95% CI: 0.78 − 0.99; p=0.037). Since the minor allele was common in East Asians and African American but not European ancestry populations, we replicated in a meta-analysis of those populations and also observed a consistent effect (OR 0.94; 95% CI: 0.91 − 0.97; p=0.013). Conclusion: The effect size of this variant is relatively large compared to other common variants associated with breast cancer and adds to evidence about the importance of the 6q25 locus for breast cancer susceptibility. Our finding also highlights the utility of performing additional searches for genetic variants for breast cancer in non-European populations.