Alexander Gusev, Bogdan Pasaniuc and colleagues present a strategy that integrates gene expression measurements with summary statistics from large-scale genome-wide association studies to identify genes whose cis-regulated expression is associated with complex traits. They identify 69 new genes significantly associated with obesity-related traits and illustrate how this approach can provide insights into the genetic basis of complex traits. Many genetic variants influence complex traits by modulating gene expression, thus altering the abundance of one or multiple proteins. Here we introduce a powerful strategy that integrates gene expression measurements with summary association statistics from large-scale genome-wide association studies (GWAS) to identify genes whose cis-regulated expression is associated with complex traits. We leverage expression imputation from genetic data to perform a transcriptome-wide association study (TWAS) to identify significant expression-trait associations. We applied our approaches to expression data from blood and adipose tissue measured in ∼3,000 individuals overall. We imputed gene expression into GWAS data from over 900,000 phenotype measurements to identify 69 new genes significantly associated with obesity-related traits (BMI, lipids and height). Many of these genes are associated with relevant phenotypes in the Hybrid Mouse Diversity Panel. Our results showcase the power of integrating genotype, gene expression and phenotype to gain insights into the genetic basis of complex traits.

Abstract Common single-nucleotide polymorphisms (SNPs) are predicted to collectively explain 40–50% of phenotypic variation in human height, but identifying the specific variants and associated regions requires huge sample sizes 1 . Here, using data from a genome-wide association study of 5.4 million individuals of diverse ancestries, we show that 12,111 independent SNPs that are significantly associated with height account for nearly all of the common SNP-based heritability. These SNPs are clustered within 7,209 non-overlapping genomic segments with a mean size of around 90 kb, covering about 21% of the genome. The density of independent associations varies across the genome and the regions of increased density are enriched for biologically relevant genes. In out-of-sample estimation and prediction, the 12,111 SNPs (or all SNPs in the HapMap 3 panel 2 ) account for 40% (45%) of phenotypic variance in populations of European ancestry but only around 10–20% (14–24%) in populations of other ancestries. Effect sizes, associated regions and gene prioritization are similar across ancestries, indicating that reduced prediction accuracy is likely to be explained by linkage disequilibrium and differences in allele frequency within associated regions. Finally, we show that the relevant biological pathways are detectable with smaller sample sizes than are needed to implicate causal genes and variants. Overall, this study provides a comprehensive map of specific genomic regions that contain the vast majority of common height-associated variants. Although this map is saturated for populations of European ancestry, further research is needed to achieve equivalent saturation in other ancestries.

Abstract We present Bisque, a tool for estimating cell type proportions in bulk expression. Bisque implements a regression-based approach that utilizes single-cell RNA-seq (scRNA-seq) or single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) data to generate a reference expression profile and learn gene-specific bulk expression transformations to robustly decompose RNA-seq data. These transformations significantly improve decomposition performance compared to existing methods when there is significant technical variation in the generation of the reference profile and observed bulk expression. Importantly, compared to existing methods, our approach is extremely efficient, making it suitable for the analysis of large genomic datasets that are becoming ubiquitous. When applied to subcutaneous adipose and dorsolateral prefrontal cortex expression datasets with both bulk RNA-seq and snRNA-seq data, Bisque replicates previously reported associations between cell type proportions and measured phenotypes across abundant and rare cell types. We further propose an additional mode of operation that merely requires a set of known marker genes.

Abstract We present Bisque, a tool for estimating cell type proportions in bulk expression. Bisque implements a regression-based approach that utilizes single-cell RNA-seq (scRNA-seq) data to generate a reference expression profile and learn gene-specific bulk expression transformations to robustly decompose RNA-seq data. These transformations significantly improve decomposition performance compared to existing methods when there is significant technical variation in the generation of the reference profile and observed bulk expression. Importantly, compared to existing methods, our approach is extremely efficient, making it suitable for the analysis of large genomic datasets that are becoming ubiquitous. When applied to subcutaneous adipose and dorsolateral prefrontal cortex expression datasets with both bulk RNA-seq and single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) data, Bisque was able to replicate previously reported associations between cell type proportions and measured phenotypes across abundant and rare cell types. Bisque requires a single-cell reference dataset that reflects physiological cell type composition and can further leverage datasets that includes both bulk and single cell measurements over the same samples for improved accuracy. We further propose an additional mode of operation that merely requires a set of known marker genes. Bisque is available as an R package at: https://github.com/cozygene/bisque .

ABSTRACT Common SNPs are predicted to collectively explain 40-50% of phenotypic variation in human height, but identifying the specific variants and associated regions requires huge sample sizes. Here we show, using GWAS data from 5.4 million individuals of diverse ancestries, that 12,111 independent SNPs that are significantly associated with height account for nearly all of the common SNP-based heritability. These SNPs are clustered within 7,209 non-overlapping genomic segments with a median size of ~90 kb, covering ~21% of the genome. The density of independent associations varies across the genome and the regions of elevated density are enriched for biologically relevant genes. In out-of-sample estimation and prediction, the 12,111 SNPs account for 40% of phenotypic variance in European ancestry populations but only ~10%-20% in other ancestries. Effect sizes, associated regions, and gene prioritization are similar across ancestries, indicating that reduced prediction accuracy is likely explained by linkage disequilibrium and allele frequency differences within associated regions. Finally, we show that the relevant biological pathways are detectable with smaller sample sizes than needed to implicate causal genes and variants. Overall, this study, the largest GWAS to date, provides an unprecedented saturated map of specific genomic regions containing the vast majority of common height-associated variants.

Abstract Single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) measures gene expression in individual nuclei instead of cells, allowing for unbiased cell type characterization in solid tissues. Contrary to single-cell RNA seq (scRNA-seq), we observe that snRNA-seq is commonly subject to contamination by high amounts of extranuclear background RNA, which can lead to identification of spurious cell types in downstream clustering analyses if overlooked. We present a novel approach to remove debris-contaminated droplets in snRNA-seq experiments, called Debris Identification using Expectation Maximization (DIEM). Our likelihood-based approach models the gene expression distribution of debris and cell types, which are estimated using EM. We evaluated DIEM using three snRNA-seq data sets: 1) human differentiating preadipocytes in vitro , 2) fresh mouse brain tissue, and 3) human frozen adipose tissue (AT) from six individuals. All three data sets showed various degrees of extranuclear RNA contamination. We observed that existing methods fail to account for contaminated droplets and led to spurious cell types. When compared to filtering using these state of the art methods, DIEM better removed droplets containing high levels of extranuclear RNA and led to higher quality clusters. Although DIEM was designed for snRNA-seq data, we also successfully applied DIEM to single-cell data. To conclude, our novel method DIEM removes debris-contaminated droplets from single-cell-based data fast and effectively, leading to cleaner downstream analysis. Our code is freely available for use at https://github.com/marcalva/diem .

Abstract Regular physical exercise has long been recognized to reverse the effects of diet-induced obesity, but the molecular mechanisms mediating these multi-tissue beneficial effects remain uncharacterized. Here, we address this challenge by studying the opposing effects of exercise training and high-fat diet at single-cell, deconvolution and tissue-level resolutions across 3 metabolic tissues. We profile scRNA-seq in 204,883 cells, grouped into 53 distinct cell subtypes/states in 22 major cell types, from subcuta-neous and visceral white adipose tissue (WAT), and skeletal muscle (SkM) in mice with diet and exercise training interventions. With a great number of mesenchymal stem cells (MSCs) profiled, we compared depot-specific adipose stem cell (ASC) states, and defined 7 distinct fibro-adipogenic progenitor (FAP) states in SkM including discovering and validating a novel CD140+/CD34+/SCA1-FAP population. Exercise- and obesity-regulated proportion, transcriptional and cell-cell interaction changes were most strongly pronounced in and centered around ASCs, FAPs, macrophages and T-cells. These changes reflected thermogenesis-vs-lipogenesis and hyperplasia-vs-hypertrophy shifts, clustered in pathways including extracellular matrix remodeling and circadian rhythm, and implicated complex single- and multi-tissue communication including training-associated shift of a cytokine from binding to its decoy receptor on ASCs to true receptor on M2 macrophages in vWAT. Overall, our work provides new insights on the metabolic protective effects of exercise training, uncovers a previously-underappreciated role of MSCs in mediating tissue-specific and multi-tissue effects, and serves as a model for multitissue single-cell analyses in physiologically complex and multifactorial traits exemplified by obesity and exercise training.

Abdominal obesity increases the risk for non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), now known as metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease (MASLD).

Abstract Biobanks that collect deep phenotypic and genomic data across large numbers of individuals have emerged as a key resource for human genetic research. However, phenotypes acquired as part of Biobanks are often missing across many individuals, limiting the utility of these datasets. The ability to accurately impute or “fill-in” missing phenotypes is critical to harness the power of population-scale Biobank datasets. We propose AutoComplete, a deep learning-based imputation method which can accurately impute missing phenotypes in population-scale Biobank datasets. When applied to collections of phenotypes measured across ≈ 300K individuals from the UK Biobank, AutoComplete improved imputation accuracy over existing 2 methods (average improvement in r 2 of 18% for all phenotypes and 42% for binary phenotypes). We explored the utility of phenotype imputation for improving the power of genome-wide association studies (GWAS) by applying our method to a group of five clinically relevant traits with an average missigness rate of 83% (67% to 94%) leading to an an increase in effective sample size of ≈2-fold on average (0.5 to 3.3-fold across the phenotypes). GWAS on the resulting imputed phenotypes led to an increase in the total number of loci significantly associated to the traits from four to 129. Our results demonstrate the utility of deep-learning based imputation to increase power for genetic discoveries in existing biobank data sets.

Many genetic variants influence complex traits by modulating gene expression, thus altering the abundance levels of one or multiple proteins. In this work we introduce a powerful strategy that integrates gene expression measurements with large-scale genome-wide association data to identify genes whose cis-regulated expression is associated to complex traits. We use a relatively small reference panel of individuals for which both genetic variation and gene expression have been measured to impute gene expression into large cohorts of individuals and identify expression-trait associations. We extend our methods to allow for indirect imputation of the expression-trait association from summary association statistics of large-scale GWAS1-3. We applied our approaches to expression data from blood and adipose tissue measured in ~3,000 individuals overall. We then imputed gene expression into GWAS data from over 900,000 phenotype measurements4-6 to identify 69 novel genes significantly associated to obesity-related traits (BMI, lipids, and height). Many of the novel genes were associated with relevant phenotypes in the Hybrid Mouse Diversity Panel. Overall our results showcase the power of integrating genotype, gene expression and phenotype to gain insights into the genetic basis of complex traits.