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.

Technology utilizing human induced pluripotent stem cells (iPS cells) has enormous potential to provide improved cellular models of human disease. However, variable genetic and phenotypic characterization of many existing iPS cell lines limits their potential use for research and therapy. Here we describe the systematic generation, genotyping and phenotyping of 711 iPS cell lines derived from 301 healthy individuals by the Human Induced Pluripotent Stem Cells Initiative. Our study outlines the major sources of genetic and phenotypic variation in iPS cells and establishes their suitability as models of complex human traits and cancer. Through genome-wide profiling we find that 5–46% of the variation in different iPS cell phenotypes, including differentiation capacity and cellular morphology, arises from differences between individuals. Additionally, we assess the phenotypic consequences of genomic copy-number alterations that are repeatedly observed in iPS cells. In addition, we present a comprehensive map of common regulatory variants affecting the transcriptome of human pluripotent cells. Genetic and phenotypic analysis reveals expression quantitative trait loci in human induced pluripotent stem cell lines associated with cancer and disease. The Human Induced Pluripotent Stem Cells Initiative (HipSci) has resulted in the generation, genotyping and phenotyping of more than 700 human induced pluripotent stem (iPS) cell lines derived from 300 healthy individuals. Although analysis of these data indicates that most of the variations in phenotypes between cells arise from variations between individuals, the authors also assess the consequences of the rare genetic defects that are recurrently seen in iPS cells after reprogramming and provide a map of the common regulatory variants that can change the transcriptome of human pluripotent cells. This resource will be useful for genetic studies of complex traits and cancer.

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 Background A healthy immune system requires immune cells that adapt rapidly to environmental challenges. This phenotypic plasticity can be mediated by transcriptional and epigenetic variability. Results We applied a novel analytical approach to measure and compare transcriptional and epigenetic variability genome-wide across CD14 + CD16 − monocytes, CD66b + CD16 + neutrophils, and CD4 + CD45RA + naïve T cells, from the same 125 healthy individuals. We discovered substantially increased variability in neutrophils compared to monocytes and T cells. In neutrophils, genes with hypervariable expression were found to be implicated in key immune pathways and to associate with cellular properties and environmental exposure. We also observed increased sex-specific gene expression differences in neutrophils. Neutrophil-specific DNA methylation hypervariable sites were enriched at dynamic chromatin regions and active enhancers. Conclusions Our data highlight the importance of transcriptional and epigenetic variability for the neutrophils’ key role as the first responders to inflammatory stimuli. We provide a resource to enable further functional studies into the plasticity of immune cells, which can be accessed from: http://blueprint-dev.bioinfo.cnio.es/WP10/hypervariability .

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.

Noncoding regulatory variants are often highly context-specific, modulating gene expression in a small subset of possible cellular states. Although these genetic effects are likely to play important roles in disease, the molecular mechanisms underlying context-specificity are not well understood. Here, we identify shared quantitative trait loci (QTLs) for chromatin accessibility and gene expression (eQTLs) and show that a large fraction (~60%) of eQTLs that appear following macrophage immune stimulation alter chromatin accessibility in unstimulated cells, suggesting they perturb enhancer priming. We show that such variants are likely to influence the binding of cell type specific transcription factors (TFs), such as PU.1, which then indirectly alter the binding of stimulus-specific TFs, such as NF-κB or STAT2. Our results imply that, although chromatin accessibility assays are powerful for fine mapping causal noncoding variants, detecting their downstream impact on gene expression will be challenging, requiring profiling of large numbers of stimulated cellular states and timepoints.

Neutrophils play fundamental roles in innate inflammatory response, shape adaptive immunity, and have been identified as a potentially causal cell type underpinning genetic associations with immune system traits and diseases. The majority of these variants are non-coding and the underlying mechanisms are not fully understood. Here, we profiled the binding of one of the principal myeloid transcriptional regulators, PU.1, in primary neutrophils across nearly a hundred volunteers, and elucidate the coordinated genetic effects of PU.1 binding variation, local chromatin state, promoter-enhancer interactions and gene expression. We show that PU.1 binding and the associated chain of molecular changes underlie genetically-driven differences in cell count and autoimmune disease susceptibility. Our results advance interpretation for genetic loci associated with neutrophil biology and immune disease.

Identifying cellular functions dysregulated by disease associated variants could implicate novel pathways for drug targeting or modulation in cell therapies. Variants associated with immune diseases point towards the role of CD4+ regulatory T cells (Tregs), cell type critical for immune homeostasis. To translate the effects of immune disease alleles on Treg function we mapped genetic regulation (QTL) of gene expression and chromatin activity in Tregs. We identified 123 loci where Treg QTLs colocalized with immune disease variants. These colocalizations indicated that dysregulation of key Treg pathways, including cell activation via CD28 and IL-2 signalling mediated by STAT5A contribute to the shared pathobiology of immune diseases. Finally, using disease GWAS signals colocalizing with Treg QTLs, we identified 34 known drug targets and 270 targets with drug tractability evidence. Our study is the first in-depth characterization of immune disease variant effects on Treg gene expression modulation and dysregulation of Treg function.