Nicole Soranzo, Tim Spector, Gabi Kastenmüller and colleagues report a large-scale analysis of genetic variants influencing human blood metabolite levels. They identify genome-wide significant associations at 145 loci, providing a framework for exploring relationships between genetic variation, metabolism and complex disease. Genome-wide association scans with high-throughput metabolic profiling provide unprecedented insights into how genetic variation influences metabolism and complex disease. Here we report the most comprehensive exploration of genetic loci influencing human metabolism thus far, comprising 7,824 adult individuals from 2 European population studies. We report genome-wide significant associations at 145 metabolic loci and their biochemical connectivity with more than 400 metabolites in human blood. We extensively characterize the resulting in vivo blueprint of metabolism in human blood by integrating it with information on gene expression, heritability and overlap with known loci for complex disorders, inborn errors of metabolism and pharmacological targets. We further developed a database and web-based resources for data mining and results visualization. Our findings provide new insights into the role of inherited variation in blood metabolic diversity and identify potential new opportunities for drug development and for understanding disease.

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.

Blood cells derive from hematopoietic stem cells through stepwise fating events. To characterize gene expression programs driving lineage choice, we sequenced RNA from eight primary human hematopoietic progenitor populations representing the major myeloid commitment stages and the main lymphoid stage. We identified extensive cell type-specific expression changes: 6711 genes and 10,724 transcripts, enriched in non-protein-coding elements at early stages of differentiation. In addition, we found 7881 novel splice junctions and 2301 differentially used alternative splicing events, enriched in genes involved in regulatory processes. We demonstrated experimentally cell-specific isoform usage, identifying nuclear factor I/B (NFIB) as a regulator of megakaryocyte maturation-the platelet precursor. Our data highlight the complexity of fating events in closely related progenitor populations, the understanding of which is essential for the advancement of transplantation and regenerative medicine.

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.

Abstract Environmental stress can result in epigenetic modifications that are passed down several generations. Such epigenetic inheritance can have significant impact on eco-evolutionary dynamics, but the phenomenon remains controversial in ecological model systems. Here, we used whole-genome bisulfite sequencing on individual water fleas ( Daphnia magna ) to assess whether environmentally-induced DNA methylation can persist for up to four generations. Genetically identical females were exposed to a control treatment, one of three natural stressors (high temperature, zinc, microcystin), or the methylation-inhibitor 5-azacytidine. After exposure, lines were propagated clonally for four generations under control conditions. We identified between 70 and 225 differentially methylated CpG positions (DMPs) between controls and F1 individuals whose mothers (and therefore they themselves as germ cells) were exposed to one of the three natural stressors. Between 46% and 58% of these environmentally-induced DMPs persisted until generation F4 without attenuation in their magnitude of differential methylation. DMPs were enriched in exons and largely stressor-specific, suggesting a possible role in environment-dependent gene regulation. In contrast, treatment with the compound 5-azacytidine demonstrated that pervasive hypo-methylation upon exposure is reset almost completely after a single generation. These results suggest that environmentally-induced DNA methylation is non-random and stably inherited across generations in Daphnia , making epigenetic inheritance a putative factor in the eco-evolutionary dynamics of fresh-water communities. Author summary Water fleas are important keystone species mediating eco-evolutionary dynamics in lakes and ponds. It is currently an open question in how far epigenetic inheritance contributes to the ability of Daphnia populations to adapt to environmental stress. Using a range of naturally occurring stressors and a multi-generational design, we show that environmentally-induced DNA methylation variants are stably inherited for at least four generations in Daphnia magna . The induced variation in DNA methylation are stressor-specific and almost exclusively found in exons, bearing the signatures of functional adaptations. Our findings imply that ecological adaptations of Daphnia to seasonal fluctuations can be underpinned by epigenetic inheritance of DNA methylation without changes in gene frequencies.

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.