Age is the dominant risk factor for most chronic human diseases, but the mechanisms through which ageing confers this risk are largely unknown1. The age-related acquisition of somatic mutations that lead to clonal expansion in regenerating haematopoietic stem cell populations has recently been associated with both haematological cancer2–4 and coronary heart disease5—this phenomenon is termed clonal haematopoiesis of indeterminate potential (CHIP)6. Simultaneous analyses of germline and somatic whole-genome sequences provide the opportunity to identify root causes of CHIP. Here we analyse high-coverage whole-genome sequences from 97,691 participants of diverse ancestries in the National Heart, Lung, and Blood Institute Trans-omics for Precision Medicine (TOPMed) programme, and identify 4,229 individuals with CHIP. We identify associations with blood cell, lipid and inflammatory traits that are specific to different CHIP driver genes. Association of a genome-wide set of germline genetic variants enabled the identification of three genetic loci associated with CHIP status, including one locus at TET2 that was specific to individuals of African ancestry. In silico-informed in vitro evaluation of the TET2 germline locus enabled the identification of a causal variant that disrupts a TET2 distal enhancer, resulting in increased self-renewal of haematopoietic stem cells. Overall, we observe that germline genetic variation shapes haematopoietic stem cell function, leading to CHIP through mechanisms that are specific to clonal haematopoiesis as well as shared mechanisms that lead to somatic mutations across tissues. Analysis of 97,691 high-coverage human blood DNA-derived whole-genome sequences enabled simultaneous identification of germline and somatic mutations that predispose individuals to clonal expansion of haematopoietic stem cells, indicating that both inherited and acquired mutations are linked to age-related cancers and coronary heart disease.

ABSTRACT Age is the dominant risk factor for most chronic human diseases; yet the mechanisms by which aging confers this risk are largely unknown. 1 Recently, the age-related acquisition of somatic mutations in regenerating hematopoietic stem cell populations was associated with both hematologic cancer incidence 2–4 and coronary heart disease prevalence. 5 Somatic mutations with leukemogenic potential may confer selective cellular advantages leading to clonal expansion, a phenomenon termed ‘Clonal Hematopoiesis of Indeterminate Potential’ (CHIP). 6 Simultaneous germline and somatic whole genome sequence analysis now provides the opportunity to identify root causes of CHIP. Here, we analyze high-coverage whole genome sequences from 97,691 participants of diverse ancestries in the NHLBI TOPMed program and identify 4,229 individuals with CHIP. We identify associations with blood cell, lipid, and inflammatory traits specific to different CHIP genes. Association of a genome-wide set of germline genetic variants identified three genetic loci associated with CHIP status, including one locus at TET2 that was African ancestry specific. In silico -informed in vitro evaluation of the TET2 germline locus identified a causal variant that disrupts a TET2 distal enhancer. Aggregates of rare germline loss-of-function variants in CHEK2 , a DNA damage repair gene, predisposed to CHIP acquisition. Overall, we observe that germline genetic variation altering hematopoietic stem cell function and the fidelity of DNA-damage repair increase the likelihood of somatic mutations leading to CHIP.

Abstract A diverse set of driver genes, such as regulators of DNA methylation, RNA splicing, and chromatin remodeling, have been associated with pre-malignant clonal expansion of hematopoietic stem cells (HSCs). The factors mediating expansion of these mutant clones remain largely unknown, partially due to a paucity of large cohorts with longitudinal blood sampling. To circumvent this limitation, we developed and validated a method to infer clonal expansion rate from single timepoint data called PACER (passenger-approximated clonal expansion rate). Applying PACER to 5,071 persons with clonal hematopoiesis accurately recapitulated the known fitness effects due to different driver mutations. A genome-wide association study of PACER revealed that a common inherited polymorphism in the TCL1A promoter was associated with slower clonal expansion. Those carrying two copies of this protective allele had up to 80% reduced odds of having driver mutations in TET2, ASXL1, SF3B1, SRSF2 , and JAK2 , but not DNMT3A. TCL1A was not expressed in normal or DNMT3A -mutated HSCs, but the introduction of mutations in TET2 or ASXL1 by CRISPR editing led to aberrant expression of TCL1A and expansion of HSCs in vitro. These effects were abrogated in HSCs from donors carrying the protective TCL1A allele. Our results indicate that the fitness advantage of multiple common driver genes in clonal hematopoiesis is mediated through TCL1A activation. PACER is an approach that can be widely applied to uncover genetic and environmental determinants of pre-malignant clonal expansion in blood and other tissues.

Abstract Plasma proteomic profiles associated with subclinical somatic mutations in blood cells may offer novel insights in downstream clinical consequences. Here, we explore such patterns in clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP), which links to several cancer and non-cancer outcomes, including coronary artery disease. Among 12,911 ancestrally diverse participants (682 with CHIP) from NHLBI TOPMed with blood-based DNA sequencing and 1,148 common proteins measured by SomaScan, we identified 32 unique proteins associated with the most prevalent driver genes ( DNMT3A , TET2 , and ASXL1 ) after multiple testing corrections. These associations showed substantial heterogeneity by driver genes, sex, and race, were enriched for immune response and inflammation pathways, and were moderately replicated in UK Biobank (N=48,922) that used Olink for proteomics measurement. Murine single-cell RNA-sequencing data from aortic arch cells, inclusive of resident hematologic cells, in mice with Tet2 -/- bone marrow and wild-type mice revealed corroborating differential expression of TET2 -associated protein-encoding genes. Lastly, we apply these observations to identify 68 plasma proteins shared between CHIP and coronary artery disease.

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.

Due to the abundance of single cell RNA-seq data, a number of methods for predicting expression after perturbation have recently been published. Expression prediction methods are enticing because they promise to answer pressing questions in fields ranging from developmental genetics to cell fate engineering and because they are faster, cheaper, and higher-throughput than their experimental counterparts. However, the absolute and relative accuracy of these methods is poorly characterized, limiting their informed use, their improvement, and the interpretation of their predictions. To address these issues, we created a benchmarking platform that combines a panel of large-scale perturbation datasets with an expression forecasting software engine that encompasses or interfaces to current methods. We used our platform to systematically assess methods, parameters, and sources of auxiliary data. We found that uninformed baseline predictions, which were not always included in prior evaluations, yielded the same or better mean absolute error than benchmarked methods in all test cases. These results cast doubt on the ability of current expression forecasting methods to provide mechanistic insights or to rank hypotheses for experimental follow-up. However, given the rapid pace of innovation in the field, new approaches may yield more accurate expression predictions. Our platform will serve as a neutral benchmark to improve methods and to identify contexts in which expression prediction can succeed.

Clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP), whereby somatic mutations in hematopoietic stem cells confer a selective advantage and drive clonal expansion, not only correlates with age but also confers increased risk of morbidity and mortality. Here, we leverage genetically predicted traits to identify factors that determine CHIP clonal expansion rate. We used the passenger-approximated clonal expansion rate method to quantify the clonal expansion rate for 4,370 individuals in the National Heart, Lung, and Blood Institute (NHLBI) Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) cohort and calculated polygenic risk scores for DNA methylation aging, inflammation-related measures and circulating protein levels. Clonal expansion rate was significantly associated with both genetically predicted and measured epigenetic clocks. No associations were identified with inflammation-related lab values or diseases and CHIP expansion rate overall. A proteome-wide search identified predicted circulating levels of myeloid zinc finger 1 and anti-Müllerian hormone as associated with an increased CHIP clonal expansion rate and tissue inhibitor of metalloproteinase 1 and glycine N-methyltransferase as associated with decreased CHIP clonal expansion rate. Together, our findings identify epigenetic and proteomic patterns associated with the rate of hematopoietic clonal expansion. Exploring the clonal expansion of somatically mutated hematopoietic stem cells with aging, Mack, Raddatz et al. quantify rates of clonal expansion in 4,370 individuals in the Trans-Omics for Precision Medicine cohort, observing epigenetic and proteomic patterns associated with clonal hematopoiesis of indeterminate potential.

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 effects of genetic variation on complex traits act mainly through changes in gene regulation. Although many genetic variants have been linked to target genes in cis, the trans-regulatory cascade mediating their effects remains largely uncharacterized. Mapping trans-regulators based on natural genetic variation, including eQTL mapping, has been challenging due to small effects. Experimental perturbation approaches offer a complementary and powerful approach to mapping trans-regulators. We used CRISPR knockouts of 84 genes in primary CD4+ T cells to perturb an immune cell gene network, targeting both inborn error of immunity (IEI) disease transcription factors (TFs) and background TFs matched in constraint and expression level, but without a known immune disease association. We developed a novel Bayesian structure learning method called Linear Latent Causal Bayes (LLCB) to estimate the gene regulatory network from perturbation data and observed 211 directed edges among the genes which could not be detected in existing CD4+ trans-eQTL data. We used LLCB to characterize the differences between the IEI and background TFs, finding that the gene groups were highly interconnected, but that IEI TFs were much more likely to regulate immune cell specific pathways and immune GWAS genes. We further characterized nine coherent gene programs based on downstream effects of the TFs and linked these modules to regulation of GWAS genes, finding that canonical JAK-STAT family members are regulated by KMT2A, a global epigenetic regulator. These analyses reveal the trans-regulatory cascade from upstream epigenetic regulator to intermediate TFs to downstream effector cytokines and elucidate the logic linking immune GWAS genes to key signaling pathways.

Telomeres shorten in replicating somatic cells and with age; in human leukocytes, telomere length (TL) is associated with a host of aging-related diseases. To date, 16 genome-wide association studies (GWAS) have identified twenty-three loci associated with leukocyte TL, but prior studies were primarily in individuals of European and Asian ancestry and relied on laboratory assays including Southern Blot and qPCR to quantify TL. Here, we estimated TL bioinformatically, leveraging whole genome sequencing (WGS) of whole blood from n=75,176 subjects in the Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) Program. We performed the largest multi-ethnic and only WGS-based genome-wide association analysis of TL to date. We identified 22 associated loci (p-value <5x10-8), including 10 novel loci. Three of the novel loci map to genes involved in telomere maintenance and/or DNA damage repair: TERF2, RFWD3, and SAMHD1. Many of the 99 pathways identified in gene set enrichment analysis for the 22 loci (multiple-testing corrected false discovery rate (FDR) <0.05) pertain to telomere biology, including the top five (FDR<1x10-9). Importantly, several loci, including the recently identified TINF2 and ATM loci, showed strong ancestry-specific associations.