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 Background Group 1 pulmonary arterial hypertension (PAH) is a lethal vasculopathy characterized by pathogenic remodeling of pulmonary arterioles leading to increased pulmonary pressures, right ventricular hypertrophy and heart failure. Recent high-throughput sequencing studies have identified additional PAH risk genes and suggested differences in genetic causes by age of onset. However, known risk genes explain only 15-20% of non-familial idiopathic PAH cases. Methods To identify new risk genes, we utilized an international consortium of 4,241 PAH cases with 4,175 sequenced exomes (n=2,572 National Biological Sample and Data Repository for PAH; n=469 Columbia University Irving Medical Center, enriched for pediatric trios) and 1,134 sequenced genomes (UK NIHR Bioresource – Rare Diseases Study). Most of the cases were adult-onset disease (93%), and 55% idiopathic (IPAH) and 35% associated with other diseases (APAH). We identified protein-coding variants and performed rare variant association analyses in unrelated participants of European ancestry, including 2,789 cases and 18,819 controls (11,101 unaffected parents from the Simons Powering Autism Research for Knowledge study and 7,718 gnomAD individuals). We analyzed de novo variants in 124 pediatric trios. Results Seven genes with rare deleterious variants were significantly associated (false discovery rate <0.1) with IPAH, including three known genes ( BMPR2 , GDF2 , and TBX4 ), two recently identified candidate genes ( SOX17 , KDR ), and two new candidate genes ( FBLN2 , fibulin 2; PDGFD , platelet-derived growth factor D). The candidate genes exhibit expression patterns in lung and heart similar to that of known PAH risk genes, and most of the variants occur in conserved protein domains. Variants in known PAH gene, ACVRL1 , showed association with APAH. Predicted deleterious de novo variants in pediatric cases exhibited a significant burden compared to the background mutation rate (2.5x, p=7.0E-6). At least eight novel candidate genes carrying de novo variants have plausible roles in lung/heart development. Conclusions Rare variant analysis of a large international consortium identifies two new candidate genes - FBLN2 and PDGFD . The new genes have known functions in vasculogenesis and remodeling but have not been previously implicated in PAH. Trio analysis predicts that ~15% of pediatric IPAH may be explained by de novo variants.

Abstract Pulmonary arterial hypertension (PAH) remains an incurable and often fatal disease despite currently available therapies. Multiomics systems biology analysis can shed new light on PAH pathobiology and inform translational research efforts. Using RNA sequencing on the largest PAH lung biobank to date (96 disease and 52 control), we aim to identify gene co-expression network modules associated with PAH and potential therapeutic targets. Co-expression network analysis was performed to identify modules of co-expressed genes which were then assessed for and prioritized by importance in PAH, regulatory role, and therapeutic potential via integration with clinicopathologic data, human genome-wide association studies (GWAS) of PAH, lung Bayesian regulatory networks, single-cell RNA-sequencing data, and pharmacotranscriptomic profiles. We identified a co-expression module of 266 genes, called the pink module, which may be a response to the underlying disease process to counteract disease progression in PAH. This module was associated not only with PAH severity such as increased PVR and intimal thickness, but also with compensated PAH such as lower number of hospitalizations, WHO functional class and NT-proBNP. GWAS integration demonstrated the pink module is enriched for PAH-associated genetic variation in multiple cohorts. Regulatory network analysis revealed that BMPR2 regulates the main target of FDA-approved riociguat, GUCY1A2, in the pink module. Analysis of pathway enrichment and pink hub genes (i.e. ANTXR1 and SFRP4) suggests the pink module inhibits Wnt signaling and epithelial-mesenchymal transition. Cell type deconvolution showed the pink module correlates with higher vascular cell fractions (i.e. myofibroblasts). A pharmacotranscriptomic screen discovered ubiquitin-specific peptidases (USPs) as potential therapeutic targets to mimic the pink module signature. Our multiomics integrative study uncovered a novel gene subnetwork associated with clinicopathologic severity, genetic risk, specific vascular cell types, and new therapeutic targets in PAH. Future studies are warranted to investigate the role and therapeutic potential of the pink module and targeting USPs in PAH.

ABSTRACT Rationale Pulmonary endothelial permeability contributes to the high-permeability pulmonary edema that characterizes acute respiratory distress syndrome (ARDS), which carries a high mortality. Circulating bone morphogeneic protein 9 (BMP9) is emerging as an important regulator of pulmonary vascular homeostasis. Objective To determine whether endogenous BMP9 plays a role in preserving pulmonary endothelial integrity, and whether loss of endogenous BMP9 occurs during lipopolysacharride (LPS)-induced lung inflammation and permeability. Methods A BMP9-neutralizing antibody was administrated to healthy adult mice and lung vasculature was examined. Potential mechanisms were delineated by transcript analysis in human primary lung endothelial cells. Impact of BMP9 was evaluated in a murine acute lung injury model induced by inhaled LPS. Levels of BMP9 were measured in plasma from patients with sepsis and endotoxemic mice. Main Results Subacute neutralization of endogenous BMP9 in mice resulted in increased lung vascular permeability, interstitial edema and neutrophil extravasation. In lung endothelial cells, BMP9 regulated a programme of gene expression and pathways controlling vascular permeability and cell membrane integrity. Augmentation of BMP9 signalling in mice with exogenous BMP9 prevented inhaled LPS-caused lung injury and edema. In endotoxemic mice, endogenous BMP9 levels were markedly reduced, due to a transient reduction in hepatic BMP9 mRNA expression and increased elastase activity in plasma. In human sepsis patients, circulating levels of BMP9 were also markedly reduced. Conclusions Endogenous circulating BMP9 is a pulmonary endothelial protective factor, down-regulated during inflammation. Supplementation with exogenous BMP9 offers a potential therapy to prevent increased pulmonary endothelial permeability in the setting of lung injury. Short summary Scientific Knowledge on the Subject Increased pulmonary endothelial permeability is a major factor in the development of acute respiratory distress syndrome (ARDS). Evidence is emerging that circulating BMP9, secreted from the liver, might protect the pulmonary endothelium from injury. For example, loss of BMP9 levels or signalling receptor contributes to the development of pulmonary arterial hypertension. The role of endogenous BMP9 in endothelial permeability remains unclear. What This Study Adds to the Field Here we show that subacute neutralization of endogenous BMP9 leads to lung vascular injury, including enhanced permeability and neutrophil extravasation. BMP9 levels were markedly reduced in the setting of inflammation in mice and humans. Conversely, exogenous supplementation of BMP9 protected the lung from LPS-induced injury. This study suggests that exogenous BMP9 could offer a novel approach to prevent increased pulmonary endothelial permeability in the setting of lung injury and ARDS.

Background: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder leading to premature death. Rare genetic variants contribute to disease etiology but the contribution of common genetic variation to disease risk and outcome remains poorly characterized. Methods: We performed two separate genome-wide association studies of PAH using data across 11,744 European-ancestry individuals (including 2,085 patients), one with genotypes from 5,895 whole genome sequences and another with genotyping array data from 5,849 further samples. Cross-validation of loci reaching genome-wide significance was sought by meta-analysis. We functionally annotated associated variants and tested associations with duration of survival. Findings: A locus at HLA-DPA1/DPB1 within the class II major histocompatibility (MHC) region and a second near SOX17 were significantly associated with PAH. The SOX17 locus contained two independent signals associated with PAH. Functional and epigenomic data indicate that the risk variants near SOX17 alter gene regulation via an enhancer active in endothelial cells. PAH risk variants determined haplotype-specific enhancer activity and CRISPR-inhibition of the enhancer reduced SOX17 expression. Analysis of median survival showed that PAH patients with two copies of the HLA-DPA1/DPB1 risk variant had a two-fold difference (>16 years versus 8 years), compared to patients homozygous for the alternative allele. Interpretation: We have found that common genetic variation at loci in HLA-DPA1/DPB1 and an enhancer near SOX17 are associated with PAH. Impairment of Sox17 function may be more common in PAH than suggested by rare mutations in SOX17. Allelic variation at HLA-DPB1 stratifies PAH patients for survival following diagnosis, with implications for future therapeutic trial design. Funding: UK NIHR, BHF, UK MRC, Dinosaur Trust, NIH/NHLBI, ERS, EMBO, Wellcome Trust, EU, AHA, ACClinPharm, Netherlands CVRI, Dutch Heart Foundation, Dutch Federation of UMC, Netherlands OHRD and RNAS, German DFG, German BMBF, APH Paris, Inserm, Universite Paris-Sud, and French ANR.