Abstract Transcriptome-wide association study (TWAS) is a powerful strategy for elucidating the molecular mechanisms behind the genetic loci of complex phenotypes. However, TWAS analysis is still daunting in many species due to the complication of the TWAS analysis pipeline, including the construction of the gene expression reference panel, gene expression prediction, and the subsequent association analysis in the large cohorts of genome-wide association study (GWAS). Farm animals are major protein sources and biomedical models for humans. To facilitate the translation of genetic findings across species, here we provide an interactive and easy-to-use multi-species TWAS web server for the entire community, called the FarmGTEx TWAS-server ( http://twas.farmgtex.org ), which is based on the GTEx and FarmGTEx projects. It includes gene expression data from 49, 34, and 23 tissues in 838 humans, 5,457 pigs, and 4,889 cattle, representing 38,180, 21,037, and 17,942 distinct eGenes in prediction models for humans, pigs, and cattle, respectively. It allows users to conduct gene expression prediction for any individuals with genotypes, GWAS summary statistics imputation, customized TWAS, and popular downstream functional annotation. It also provides 479,203, 1,208, and 657 tissue-gene-trait association trios for the research community, representing 1,129 human traits, 41 cattle traits, and 11 pig traits. In summary, the FarmGTEx TWAS-server is a one-stop solution for performing TWAS analysis for researchers without programming skills in both human and farm animal research communities. It will be maintained and updated timely within the FarmGTEx project to facilitate gene mapping and phenotype prediction within and across species.

Abstract Chicken is a valuable model for understanding fundamental biology, vertebrate evolution and diseases, as well as a major source of nutrient-dense and lean-protein-enriched food globally. Although it is the first non-mammalian amniote genome to be sequenced, the chicken genome still lacks a systematic characterization of functional impacts of genetic variants. Here, through integrating 7,015 RNA-Seq and 2,869 whole-genome sequence data, the Chicken Genotype- Tissue Expression (ChickenGTEx) project presents the pilot reference of regulatory variants in 28 chicken tissue transcriptomes, including millions of regulatory effects on primary expression (including protein-coding genes, lncRNA and exon) and post-transcriptional modifications (alternative splicing and 3’ untranslated region alternative polyadenylation). We explored the tissue-sharing and context-specificity of these regulatory variants, their underlying molecular mechanisms of action, and their utility in interpreting adaptation and genome-wide associations of 108 chicken complex traits. Finally, we illustrated shared and lineage-specific features of gene regulation between chickens and mammals, and demonstrated how the ChickenGTEx resource can further assist with translating genetic findings across species. One-Sentence Summary The ChickenGTEx provides a multi-tissue reference of regulatory variants for chicken genetics and genomics, functional genomics, precision breeding, veterinary medicine, vertebrate evolution and even human biomedicine.

Understanding the molecular and cellular mechanisms that underlie complex traits in pigs is crucial for enhancing their genetic improvement program and unleashing their substantial potentials in human biomedicine research. Here, we conducted a meta-GWAS analysis for 232 complex traits with 28.3 million imputed whole-genome sequence variants in 70,328 individuals from 14 pig breeds. We identified a total of 6,878 genomic regions associated with 139 complex traits. By integrating with the Pig Genotype-Tissue Expression (PigGTEx) resource, we systemically explored the biological context and regulatory circuits through which these trait-associated variants act and finally prioritized 16,664 variant-gene-tissue-trait circuits. For instance, rs344053754 regulates the expression of UGT2B31 in the liver by affecting the activity of regulatory elements and ultimately affects litter weight at weaning. Furthermore, we investigated the conservation of genetic and regulatory mechanisms underlying 136 human traits and 232 pig traits. Overall, our multi-breed meta-GWAS in pigs provides invaluable resources and novel insights for understanding the regulatory and evolutionary mechanisms of complex traits in pigs and humans.

Abstract The assessment of genomic conservation between human and pig at the functional level can help understand and improve the potential of pig as a human biomedical model. To address this, we developed a Deep learning-based approach to learn the G enomic C onservation at the F unctional level (DeepGCF) between species by integrating 386 and 374 epigenome and transcriptome profiles from human and pig, respectively. DeepGCF demonstrated a better prediction performance compared to the previous functional conservation prediction method. In addition, we showed that the resulting DeepGCF score captures the functional conservation by examining DeepGCF on chromatin states, sequence ontologies, and regulatory variants. Regions with higher DeepGCF score play a more important role in regulatory activities and show heritability enrichment in human complex traits and diseases. Our DeepGCF approach shows a promising application on the comparison of cross-species functional conservation, and the model framework can be easily adapted to other species. By expanding the model to integrate the functional profiles of multiple species, including human, mouse, pig, cattle, and other livestock animals in the future, the functional conservation information will provide additional insight into the genetic and evolutionary mechanisms behind complex traits and diseases.

Abstract The systematic characterization of cellular heterogeneity among tissues and cell-type-specific regulation underlying complex phenotypes remains elusive in pigs. Within the Pig Genotype-Tissue Expression (PigGTEx) project, we present a single-cell transcriptome atlas of adult pigs encompassing 229,268 high-quality nuclei from 19 tissues, annotated to 67 major cell types. Besides cellular heterogeneity within and across tissues, we further characterize prominent tissue-specific features and functions of muscle, epithelial, and immune cells. Through deconvoluting 3,921 bulk RNA-seq samples from 17 matching tissues, we dissect thousands of genetic variants with cell-type interaction effects on gene expression (ieQTL). By colocalizing these ieQTL with variants associated with 268 complex traits, we provide new insights into the cellular mechanisms behind these traits. Moreover, we highlight that orthologous genes with cell-type-specific regulation in pigs exhibit significant heritability enrichment for some human complex phenotypes. Altogether, our work provides a valuable resource and highlights novel insights in cellular regulation of complex traits for accelerating pig precision breeding and human biomedical research.