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 Recent technological advances have enabled massively parallel chromatin profiling with s ingle- c ell A ssay for T ransposase A ccessible C hromatin by seq uencing (scATAC-seq) in thousands of individual cells. Here, we extend these approaches and present A TAC with S elect A ntigen P rofiling by seq uencing, ASAP-seq, a tool to simultaneously profile accessible chromatin and protein levels in thousands of single cells. Our approach pairs sparse scATAC-seq data with robust detection of hundreds of cell surface and intracellular protein markers and optional capture of mitochondrial DNA (mtDNA) for clonal tracking, thus concomitantly capturing three distinct modalities in single cells. Importantly, ASAP-seq uses a novel bridging approach that repurposes antibody:oligo conjugates designed for existing technologies that pair protein measurements with single cell RNA-seq. We demonstrate the utility of ASAP-seq by revealing coordinated and distinct changes in chromatin, RNA, and surface proteins during native hematopoietic differentiation, peripheral blood mononuclear cell stimulation, and as a combinatorial decoder and reporter of multiplexed perturbations in primary T cells.

Genetic variants that cause rare disorders may remain elusive even after expansive testing, such as exome sequencing. The diagnostic yield of genome sequencing, particularly after a negative evaluation, remains poorly defined.

SUMMARY Thousands of genetic associations with phenotypes of blood cells are known, but few are with phenotypes relevant to cell function. We performed GWAS of 63 flow-cytometry phenotypes, including measures of cell granularity, nucleic acid content, and reactivity, in 39,656 participants in the INTERVAL study, identifying 2,172 variant-trait associations. These include associations mediated by functional cellular structures such as secretory granules, implicated in vascular, thrombotic, inflammatory and neoplastic diseases. By integrating our results with epigenetic data and with signals from molecular abundance/disease GWAS, we infer the hematopoietic origins of population phenotypic variation and identify the transcription factor FOG2 as a regulator of platelet α -granularity. We show how flow cytometry genetics can suggest cell types mediating complex disease risk and suggest efficacious drug targets, presenting Daclizumab/Vedolizumab in autoimmune disease as positive controls. Finally, we add to existing evidence supporting IL7/IL7-R as drug targets for multiple sclerosis.

Abstract Cells experience intrinsic and extrinsic pressures that affect their proclivity to expand and persist in vivo . In congenital disorders caused by loss-of-function mutations in mitochondrial DNA (mtDNA), metabolic vulnerabilities may result in cell-type specific phenotypes and depletion of pathogenic alleles, contributing to purifying selection. However, the impact of pathogenic mtDNA mutations on the cellular hematopoietic landscape is not well understood. Here, we establish a multi-omics approach to quantify deletions in mtDNA alongside cell state features in single cells derived from Pearson syndrome patients. We resolve the interdependence between pathogenic mtDNA and lineage, including purifying selection against deletions in effector/memory CD8 T-cell populations and recent thymic emigrants and dynamics in other hematopoietic populations. Our mapping of lineage-specific purifying selection dynamics in primary cells from patients carrying pathogenic heteroplasmy provides a new perspective on recurrent clinical phenotypes in mitochondrial disorders, including cancer and infection, with potential broader relevance to age-related immune dysfunction.

Incomplete annotation of cell-to-cell state variance and widespread linkage disequilibrium in the human genome represent significant challenges to elucidating mechanisms of trait-associated genetic variation. Here, using data from the UK Biobank, we perform genetic fine-mapping for 16 blood cell traits to quantify posterior probabilities of association while allowing for multiple independent signals per region. We observe an enrichment of fine-mapped variants in accessible chromatin of lineage-committed hematopoietic progenitor cells. Further, we develop a novel analytic framework that identifies "core gene" cell type enrichments and show that this approach uniquely resolves relevant cell types within closely related populations. Applying our approach to single cell chromatin accessibility data, we discover significant heterogeneity within classically defined multipotential progenitor populations. Finally, using several lines of empirical evidence, we identify relevant cell types, predict target genes, and propose putative causal mechanisms for fine-mapped variants. In total, our study provides an analytic framework for single-variant and single-cell analyses to elucidate putative causal variants and cell types from GWAS and high-resolution epigenomic assays.

Diamond-Blackfan anemia (DBA) is a rare bone marrow failure disorder that affects 1 in 100,000 to 200,000 live births and has been associated with mutations in components of the ribosome. In order to characterize the genetic landscape of this genetically heterogeneous disorder, we recruited a cohort of 472 individuals with a clinical diagnosis of DBA and performed whole exome sequencing (WES). Overall, we identified rare and predicted damaging mutations in likely causal genes for 78% of individuals. The majority of mutations were singletons, absent from population databases, predicted to cause loss of function, and in one of 19 previously reported genes encoding for a diverse set of ribosomal proteins (RPs). Using WES exon coverage estimates, we were able to identify and validate 31 deletions in DBA associated genes. We also observed an enrichment for extended splice site mutations and validated the diverse effects of these mutations using RNA sequencing in patient-derived cell lines. Leveraging the size of our cohort, we observed several robust genotype-phenotype associations with congenital abnormalities and treatment outcomes. In addition to comprehensively identifying mutations in known genes, we further identified rare mutations in 7 previously unreported RP genes that may cause DBA. We also identified several distinct disorders that appear to phenocopy DBA, including 9 individuals with biallelic CECR1 mutations that result in deficiency of ADA2. However, no new genes were identified at exome-wide significance, suggesting that there are no unidentified genes containing mutations readily identified by WES that explain > 5% of DBA cases. Overall, this comprehensive report should not only inform clinical practice for DBA patients, but also the design and analysis of future rare variant studies for heterogeneous Mendelian disorders.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified thousands of variants associated with human diseases and traits. However, the majority of GWAS-implicated variants are in non-coding genomic regions and require in depth follow-up to identify target genes and decipher biological mechanisms. Here, rather than focusing on causal variants, we have undertaken a pooled loss-of-function screen in primary hematopoietic cells to interrogate 389 candidate genes contained in 75 loci associated with red blood cell traits. Using this approach, we identify 77 genes at 38 GWAS loci, with most loci harboring 1-2 candidate genes. Importantly, the hit set was strongly enriched for genes validated through orthogonal genetic approaches. Genes identified by this approach are enriched in relevant biological pathways, allowing regulators of human erythropoiesis and blood disease modifiers to be defined. More generally, this functional screen provides a paradigm for gene-centric follow up of GWAS for a variety of human diseases and traits.

ABSTRACT Understanding how hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) are regulated is of central importance for the development of new therapies for blood disorders and stem cell transplantation. To date, HSPC regulation has been extensively studied in vitro and in animal models, but less is known about the mechanisms in vivo in humans. Here, in a genome-wide association study on 13,167 individuals, we identify 9 significant and 2 suggestive DNA sequence variants that influence HSPC (CD34 + ) levels in human blood. The identified loci associate with blood disorders, harbor known and novel HSPC genes, and affect gene expression in HSPCs. Interestingly, our strongest association maps to the PPM1H gene, encoding an evolutionarily conserved serine/threonine phosphatase never previously implicated in stem cell biology. PPM1H is expressed in HSPCs, and the allele that confers higher blood CD34 + cell levels downregulates PPM1H . By functional fine-mapping, we find that this downregulation is caused by the variant rs772557-A, which abrogates a MYB transcription factor binding site in PPM1H intron 1 that is active in specific HSPC subpopulations, including hematopoietic stem cells, and interacts with the promoter by chromatin looping. Furthermore, rs772557-A selectively increases HSPC subpopulations in which the MYB site is active, and PPM1H shRNA- knockdown increased CD34 + and CD34 + 90 + cell proportions in umbilical cord blood cultures. Our findings represent the first large-scale association study on a stem cell trait, illuminating HSPC regulation in vivo in humans, and identifying PPM1H as a novel inhibition target that can potentially be utilized clinically to facilitate stem cell harvesting for transplantation.