Many common variants have been associated with hematological traits, but identification of causal genes and pathways has proven challenging. We performed a genome-wide association analysis in the UK Biobank and INTERVAL studies, testing 29.5 million genetic variants for association with 36 red cell, white cell, and platelet properties in 173,480 European-ancestry participants. This effort yielded hundreds of low frequency (<5%) and rare (<1%) variants with a strong impact on blood cell phenotypes. Our data highlight general properties of the allelic architecture of complex traits, including the proportion of the heritable component of each blood trait explained by the polygenic signal across different genome regulatory domains. Finally, through Mendelian randomization, we provide evidence of shared genetic pathways linking blood cell indices with complex pathologies, including autoimmune diseases, schizophrenia, and coronary heart disease and evidence suggesting previously reported population associations between blood cell indices and cardiovascular disease may be non-causal.

Characterizing the multifaceted contribution of genetic and epigenetic factors to disease phenotypes is a major challenge in human genetics and medicine. We carried out high-resolution genetic, epigenetic, and transcriptomic profiling in three major human immune cell types (CD14+ monocytes, CD16+ neutrophils, and naive CD4+ T cells) from up to 197 individuals. We assess, quantitatively, the relative contribution of cis-genetic and epigenetic factors to transcription and evaluate their impact as potential sources of confounding in epigenome-wide association studies. Further, we characterize highly coordinated genetic effects on gene expression, methylation, and histone variation through quantitative trait locus (QTL) mapping and allele-specific (AS) analyses. Finally, we demonstrate colocalization of molecular trait QTLs at 345 unique immune disease loci. This expansive, high-resolution atlas of multi-omics changes yields insights into cell-type-specific correlation between diverse genomic inputs, more generalizable correlations between these inputs, and defines molecular events that may underpin complex disease risk.

Angewandte Chemie International EditionVolume 48, Issue 2 p. 299-303 Communication Hydrocyanines: A Class of Fluorescent Sensors That Can Image Reactive Oxygen Species in Cell Culture, Tissue, and In Vivo† Kousik Kundu, Kousik Kundu The Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering and Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 (USA), Fax: (+1) 404-894-4243Search for more papers by this authorSarah F. Knight, Sarah F. Knight Cardiology Division, Department of Medicine, Emory University School of Medicine, Atlanta, GA 30322 (USA)Search for more papers by this authorNick Willett, Nick Willett Cardiology Division, Department of Medicine, Emory University School of Medicine, Atlanta, GA 30322 (USA)Search for more papers by this authorSungmun Lee, Sungmun Lee The Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering and Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 (USA), Fax: (+1) 404-894-4243Search for more papers by this authorW. Robert Taylor Prof., W. Robert Taylor Prof. The Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering and Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 (USA), Fax: (+1) 404-894-4243 Cardiology Division, Department of Medicine, Emory University School of Medicine, Atlanta, GA 30322 (USA) Cardiology Division, Atlanta VA Medical Center, Decatur, GA 30032 (USA)Search for more papers by this authorNiren Murthy Prof., Niren Murthy Prof. [email protected] The Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering and Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 (USA), Fax: (+1) 404-894-4243Search for more papers by this author Kousik Kundu, Kousik Kundu The Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering and Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 (USA), Fax: (+1) 404-894-4243Search for more papers by this authorSarah F. Knight, Sarah F. Knight Cardiology Division, Department of Medicine, Emory University School of Medicine, Atlanta, GA 30322 (USA)Search for more papers by this authorNick Willett, Nick Willett Cardiology Division, Department of Medicine, Emory University School of Medicine, Atlanta, GA 30322 (USA)Search for more papers by this authorSungmun Lee, Sungmun Lee The Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering and Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 (USA), Fax: (+1) 404-894-4243Search for more papers by this authorW. Robert Taylor Prof., W. Robert Taylor Prof. The Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering and Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 (USA), Fax: (+1) 404-894-4243 Cardiology Division, Department of Medicine, Emory University School of Medicine, Atlanta, GA 30322 (USA) Cardiology Division, Atlanta VA Medical Center, Decatur, GA 30032 (USA)Search for more papers by this authorNiren Murthy Prof., Niren Murthy Prof. [email protected] The Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering and Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332 (USA), Fax: (+1) 404-894-4243Search for more papers by this author First published: 22 December 2008 https://doi.org/10.1002/anie.200804851Citations: 292 † This work was supported by the Georgia Tech/Emory Center for the Engineering of Living Tissues (funded by NSF-EEC-9731643) (N.M.), NSF-BES-0546962 Career Award (N.M.), NIH UO1 HL80711-01 (N.M.), NIH R21 EB006418 (N.M.), and a J&J/GT Health Care Innovation Seed Grant Proposal (N.M.). Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onEmailFacebookTwitterLinkedInRedditWechat Graphical Abstract Accurate and tunable: The title compounds can detect reactive oxygen species (ROS) in cell culture, tissue explants, and for the first time in vivo. The hydrocyanines are synthesized by reduction of the cyanine dyes with NaBH4. They can accurately detect nanomolar levels of ROS, have excellent stability against autoxidation, and have tunable emission wavelengths in the range 560–830 nm. Supporting Information Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Filename Description anie_200804851_sm_miscellaneous_information.pdf197.1 KB miscellaneous information Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article. References 1 1aM. P. Mattson, Nature 2004, 430, 631–639; 1bC. C. Winterbourn, Nat. Chem. Biol. 2008, 4, 278–286. 2 2aJ. J. Gao, K. H. Xu, B. Tang, L. L. Yin, G. Yang, A. Wen, G. Li, FEBS J. 2007, 274, 1725–1733; 2bK. Xu, X. Liu, B. Tang, G. Yang, Y. L. An, Chem. Eur. J. 2007, 13, 1411–1416. 3Y. Koide, Y. Urano, S. Kenmoku, H. Kojima, T. Nagano, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 10324–10325. 4H. Maeda, K. Yamamoto, I. Kohno, L. Hafsi, N. Itoh, S. Nakagawa, N. Kanagawa, K. Suzuki, T. Uno, Chem. Eur. J. 2007, 13, 1946–1954. 5K. M. Robinson, M. S. Janes, M. Pehar, J. S. Monette, M. F. Ross, T. M. Hagen, M. P. Murphy, J. S. Beckman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 15038–15043. 6J. Shepherd, S. A. Hilderbrand, P. Waterman, J. W. Heinecke, R. Weissleder, P. Libby, Chem. Biol. 2007, 14, 1221–1231. 7 7aJ. Zielonka, J. Vasquez-Vivar, B. Kalyanaraman, Nat. Protoc. 2008, 3, 8–21; 7bH. Zhao, J. Joseph, H. M. Fales, E. A. Sokoloski, R. L. Levine, J. Vasquez -Vivar, B. Kalyanaraman, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 5727–5732. 8V. Ntziachristos, E. A. Schellenberger, J. Ripoll, D. Yessayan, E. Graves, A. Bogdanov, L. Josephson, R. Weissleder, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 12294. 9G. Choy, P. Choyke, S. K. Libutti, Mol. Imaging 2003, 2, 303–312. 10 10aE. W. Miller, O. Tulyathan, E. Y. Isacoff, C. J. Chang, Nat. Chem. Biol. 2007, 3, 263–267; 10bA. E. Albers, V. S. Okreglak, C. J. Chang, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9640–9641; 10cE. W. Miller, A. E. Albers, A. Pralle, E. Y. Isacoff, C. J. Chang, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16652–16659; 10dM. C. Y. Chang, A. Pralle, E. Y. Isacoff, C. J. Chang, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15392–15393; 10eD. Srikun, E. W. Miller, D. W. Domaille, C. J. Chang, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4596–4597; 10fD. Lee, S. Khaja, C. J. Velasquez, M. Dasari, C. Sun, J. Petros, W. R. Taylor, N. Murthy, Nat. Mater. 2007, 6, 765–769. 11Fenton's reagent has the possibility of generating radical species other than the hydroxyl radical, such as carbon-based radicals and other oxygen-based radicals; these species may also oxidize the hydrocyanines. 12A. M. Zafari, M. Ushio-Fukai, M. Akers, Q. Yin, A. Shah, D. G. Harrison, W. R. Taylor, K. K. Griendling, Hypertension 1998, 32, 488–490. Citing Literature Volume48, Issue2January 2, 2009Pages 299-303 ReferencesRelatedInformation

The mechanisms that initiate T helper type 2 responses are poorly understood. Pulendran and colleagues now show that such responses to cysteine proteases require dendritic cell–basophil cooperation via signaling mediated by reactive oxygen species. The mechanisms that initiate T helper type 2 (TH2) responses are poorly understood. Here we demonstrate that cysteine protease–induced TH2 responses occur via 'cooperation' between migratory dermal dendritic cells (DCs) and basophils positive for interleukin 4 (IL-4). Subcutaneous immunization with papain plus antigen induced reactive oxygen species (ROS) in lymph node DCs and in dermal DCs and epithelial cells of the skin. ROS orchestrated TH2 responses by inducing oxidized lipids that triggered the induction of thymic stromal lymphopoietin (TSLP) by epithelial cells mediated by Toll-like receptor 4 (TLR4) and the adaptor protein TRIF; by suppressing production of the TH1-inducing molecules IL-12 and CD70 in lymph node DCs; and by inducing the DC-derived chemokine CCL7, which mediated recruitment of IL-4+ basophils to the lymph node. Thus, the TH2 response to cysteine proteases requires DC-basophil cooperation via ROS-mediated signaling.

Regulatory variants are often context specific, modulating gene expression in a subset of possible cellular states. Although these genetic effects can play important roles in disease, the molecular mechanisms underlying context specificity are poorly understood. Here, we identified shared quantitative trait loci (QTLs) for chromatin accessibility and gene expression in human macrophages exposed to IFNγ, Salmonella and IFNγ plus Salmonella. We observed that ~60% of stimulus-specific expression QTLs with a detectable effect on chromatin altered the chromatin accessibility in naive cells, thus suggesting that they perturb enhancer priming. Such variants probably influence binding of cell-type-specific transcription factors, such as PU.1, which can then indirectly alter the binding of stimulus-specific transcription factors, such as NF-κB or STAT2. Thus, although chromatin accessibility assays are powerful for fine-mapping causal regulatory variants, detecting their downstream effects on gene expression will be challenging, requiring profiling of large numbers of stimulated cellular states and time points.

Abstract Tumors subvert immune cell function to evade immune responses, yet the complex mechanisms driving immune evasion remain poorly understood. Here we show that tumors induce de novo steroidogenesis in T lymphocytes to evade anti-tumor immunity. Using a transgenic steroidogenesis-reporter mouse line we identify and characterize de novo steroidogenic immune cells, defining the global gene expression identity of these steroid-producing immune cells and gene regulatory networks by using single-cell transcriptomics. Genetic ablation of T cell steroidogenesis restricts primary tumor growth and metastatic dissemination in mouse models. Steroidogenic T cells dysregulate anti-tumor immunity, and inhibition of the steroidogenesis pathway is sufficient to restore anti-tumor immunity. This study demonstrates T cell de novo steroidogenesis as a mechanism of anti-tumor immunosuppression and a potential druggable target.

N-formyl peptide receptors (FPRs) are critical regulators of host defense in phagocytes and are also expressed in epithelia. FPR signaling and function have been extensively studied in phagocytes, yet their functional biology in epithelia is poorly understood. We describe a novel intestinal epithelial FPR signaling pathway that is activated by an endogenous FPR ligand, annexin A1 (ANXA1), and its cleavage product Ac2-26, which mediate activation of ROS by an epithelial NADPH oxidase, NOX1. We show that epithelial cell migration was regulated by this signaling cascade through oxidative inactivation of the regulatory phosphatases PTEN and PTP-PEST, with consequent activation of focal adhesion kinase (FAK) and paxillin. In vivo studies using intestinal epithelial specific Nox1–/–IEC and AnxA1–/– mice demonstrated defects in intestinal mucosal wound repair, while systemic administration of ANXA1 promoted wound recovery in a NOX1-dependent fashion. Additionally, increased ANXA1 expression was observed in the intestinal epithelium and infiltrating leukocytes in the mucosa of ulcerative colitis patients compared with normal intestinal mucosa. Our findings delineate a novel epithelial FPR1/NOX1-dependent redox signaling pathway that promotes mucosal wound repair.

Abstract Microglia, the tissue resident macrophages of the CNS, are implicated in a broad range of neurological pathologies, from acute brain injury to dementia. Here, we profiled gene expression variation in primary human microglia isolated from 141 patients undergoing neurosurgery. Using single cell and bulk RNA sequencing, we defined distinct cellular populations of acutely in vivo -activated microglia, and characterised a dramatic switch in microglial population composition in patients suffering from acute brain injury. We mapped expression quantitative trait loci (eQTLs) in human microglia and show that many disease-associated eQTLs in microglia replicate well in a human induced pluripotent stem cell (hIPSC) derived macrophage model system. Using ATAC-seq from 95 individuals in this hIPSC model we fine-map candidate causal variants at risk loci for Alzheimer’s disease, the most prevalent neurodegenerative condition in acute brain injury patients. Our study provides the first population-scale transcriptional map of a critically important cell for neurodegenerative disorders.

Abstract The identification of causal genetic variants for common diseases improves understanding of disease biology. Here we use data from the BLUEPRINT project to identify regulatory quantitative trait loci (QTL) for three primary human immune cell types and use these to fine-map putative causal variants for twelve immune-mediated diseases. We identify 340 unique, non major histocompatibility complex (MHC) disease loci that colocalise with high (>98%) posterior probability with regulatory QTLs, and apply Bayesian frameworks to fine-map associations at each locus. We show that fine-mapping applied to regulatory QTLs yields smaller credible set sizes and higher posterior probabilities for candidate causal variants compared to disease summary statistics. We also describe a systematic under-representation of insertion/deletion (INDEL) polymorphisms in credible sets derived from publicly available disease meta-analysis when compared to QTLs based on genome-sequencing data. Overall, our findings suggest that fine-mapping applied to disease-colocalising regulatory QTLs can enhance the discovery of putative causal disease variants and provide insights into the underlying causal genes and molecular mechanisms.

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.