Abstract To study the effect of host genetics on gut microbiome composition, the MiBioGen consortium curated and analyzed genome-wide genotypes and 16S fecal microbiome data from 18,340 individuals (24 cohorts). Microbial composition showed high variability across cohorts: only 9 out of 410 genera were detected in more than 95% samples. A genome-wide association study (GWAS) of host genetic variation in relation to microbial taxa identified 31 loci affecting microbiome at a genome-wide significant (P<5×10 −8 ) threshold. One locus, the lactase ( LCT ) gene locus, reached study-wide significance (GWAS signal P=1.28×10 −20 ), and it showed an age-dependent association with Bifidobacterium abundance. Other associations were suggestive (1.95×10 −10 <P<5×10 −8 ) but enriched for taxa showing high heritability and for genes expressed in the intestine and brain. A phenome-wide association study and Mendelian randomization identified enrichment of microbiome trait loci in the metabolic, nutrition and environment domains and suggested the microbiome has causal effects in ulcerative colitis and rheumatoid arthritis.

Abstract Upstream open reading frames (uORFs) are important tissue-specific cis -regulators of protein translation. Although isolated case reports have shown that variants that create or disrupt uORFs can cause disease, genetic sequencing approaches typically focus on protein-coding regions and ignore these variants. Here, we describe a systematic genome-wide study of variants that create and disrupt human uORFs, and explore their role in human disease using 15,708 whole genome sequences collected by the Genome Aggregation Database (gnomAD) project. We show that 14,897 variants that create new start codons upstream of the canonical coding sequence (CDS), and 2,406 variants disrupting the stop site of existing uORFs, are under strong negative selection. Furthermore, variants creating uORFs that overlap the CDS show signals of selection equivalent to coding loss-of-function variants, and uORF-perturbing variants are under strong selection when arising upstream of known disease genes and genes intolerant to loss-of-function variants. Finally, we identify specific genes where perturbation of uORFs is likely to represent an important disease mechanism, and report a novel uORF frameshift variant upstream of NF2 in families with neurofibromatosis. Our results highlight uORF-perturbing variants as an important and under-recognised functional class that can contribute to penetrant human disease, and demonstrate the power of large-scale population sequencing data to study the deleteriousness of specific classes of non-coding variants.

Genome-wide association analyses using high-throughput metabolomics platforms have led to novel insights into the biology of human metabolism1-7. This detailed knowledge of the genetic determinants of systemic metabolism has been pivotal for uncovering how genetic pathways influence biological mechanisms and complex diseases8-11. Here we present a genome-wide association study for 233 circulating metabolic traits quantified by nuclear magnetic resonance spectroscopy in up to 136,016 participants from 33 cohorts. We identify more than 400 independent loci and assign probable causal genes at two-thirds of these using manual curation of plausible biological candidates. We highlight the importance of sample and participant characteristics that can have significant effects on genetic associations. We use detailed metabolic profiling of lipoprotein- and lipid-associated variants to better characterize how known lipid loci and novel loci affect lipoprotein metabolism at a granular level. We demonstrate the translational utility of comprehensively phenotyped molecular data, characterizing the metabolic associations of intrahepatic cholestasis of pregnancy. Finally, we observe substantial genetic pleiotropy for multiple metabolic pathways and illustrate the importance of careful instrument selection in Mendelian randomization analysis, revealing a putative causal relationship between acetone and hypertension. Our publicly available results provide a foundational resource for the community to examine the role of metabolism across diverse diseases.

Abstract Large-scale gene sequencing studies for complex traits have the potential to identify causal genes with therapeutic implications. We performed gene-based association testing of blood lipid levels with rare (minor allele frequency<1%) predicted damaging coding variation using sequence data from >170,000 individuals from multiple ancestries: 97,493 European, 30,025 South Asian, 16,507 African, 16,440 Hispanic/Latino, 10,420 East Asian, and 1,182 Samoan. We identified 35 genes associated with circulating lipid levels. Ten of these: ALB , SRSF2 , JAK2, CREB3L3 , TMEM136 , VARS , NR1H3 , PLA2G12A , PPARG and STAB1 have not been implicated for lipid levels using rare coding variation in population-based samples. We prioritize 32 genes identified in array-based genome-wide association study (GWAS) loci based on gene-based associations, of which three: EVI5, SH2B3 , and PLIN1 , had no prior evidence of rare coding variant associations. Most of the associated genes showed evidence of association in multiple ancestries. Also, we observed an enrichment of gene-based associations for low-density lipoprotein cholesterol drug target genes, and for genes closest to GWAS index single nucleotide polymorphisms (SNP). Our results demonstrate that gene-based associations can be beneficial for drug target development and provide evidence that the gene closest to the array-based GWAS index SNP is often the functional gene for blood lipid levels.

Abstract Regular physical exercise has long been recognized to reverse the effects of diet-induced obesity, but the molecular mechanisms mediating these multi-tissue beneficial effects remain uncharacterized. Here, we address this challenge by studying the opposing effects of exercise training and high-fat diet at single-cell, deconvolution and tissue-level resolutions across 3 metabolic tissues. We profile scRNA-seq in 204,883 cells, grouped into 53 distinct cell subtypes/states in 22 major cell types, from subcuta-neous and visceral white adipose tissue (WAT), and skeletal muscle (SkM) in mice with diet and exercise training interventions. With a great number of mesenchymal stem cells (MSCs) profiled, we compared depot-specific adipose stem cell (ASC) states, and defined 7 distinct fibro-adipogenic progenitor (FAP) states in SkM including discovering and validating a novel CD140+/CD34+/SCA1-FAP population. Exercise- and obesity-regulated proportion, transcriptional and cell-cell interaction changes were most strongly pronounced in and centered around ASCs, FAPs, macrophages and T-cells. These changes reflected thermogenesis-vs-lipogenesis and hyperplasia-vs-hypertrophy shifts, clustered in pathways including extracellular matrix remodeling and circadian rhythm, and implicated complex single- and multi-tissue communication including training-associated shift of a cytokine from binding to its decoy receptor on ASCs to true receptor on M2 macrophages in vWAT. Overall, our work provides new insights on the metabolic protective effects of exercise training, uncovers a previously-underappreciated role of MSCs in mediating tissue-specific and multi-tissue effects, and serves as a model for multitissue single-cell analyses in physiologically complex and multifactorial traits exemplified by obesity and exercise training.

Abstract Complete characterization of the genetic effects on gene expression is needed to elucidate tissue biology and the etiology of complex traits. Here, we analyzed 2,344 subcutaneous adipose tissue samples and identified 34K conditionally distinct expression quantitative trait locus (eQTL) signals in 18K genes. Over half of eQTL genes exhibited at least two eQTL signals. Compared to primary signals, non-primary signals had lower effect sizes, lower minor allele frequencies, and less promoter enrichment; they corresponded to genes with higher heritability and higher tolerance for loss of function. Colocalization of eQTL with conditionally distinct genome-wide association study signals for 28 cardiometabolic traits identified 3,605 eQTL signals for 1,861 genes. Inclusion of non-primary eQTL signals increased colocalized signals by 46%. Among 30 genes with ≥2 pairs of colocalized signals, 21 showed a mediating gene dosage effect on the trait. Thus, expanded eQTL identification reveals more mechanisms underlying complex traits and improves understanding of the complexity of gene expression regulation.

Abstract A major challenge of genome-wide association studies (GWAS) is to translate phenotypic associations into biological insights. Here, we integrate a large GWAS on blood lipids involving 1.6 million individuals from five ancestries with a wide array of functional genomic datasets to discover regulatory mechanisms underlying lipid associations. We first prioritize lipid-associated genes with expression quantitative trait locus (eQTL) colocalizations, and then add chromatin interaction data to narrow the search for functional genes. Polygenic enrichment analysis across 697 annotations from a host of tissues and cell types confirms the central role of the liver in lipid levels, and highlights the selective enrichment of adipose-specific chromatin marks in high-density lipoprotein cholesterol and triglycerides. Overlapping transcription factor (TF) binding sites with lipid-associated loci identifies TFs relevant in lipid biology. In addition, we present an integrative framework to prioritize causal variants at GWAS loci, producing a comprehensive list of candidate causal genes and variants with multiple layers of functional evidence. Two prioritized genes, CREBRF and RRBP1 , show convergent evidence across functional datasets supporting their roles in lipid biology.

High blood pressure is the foremost heritable global risk factor for cardiovascular disease. We report the largest genetic association study of blood pressure traits to date (systolic, diastolic, pulse pressure) in over one million people of European ancestry. We identify 535 novel blood pressure loci that not only offer new biological insights into blood pressure regulation but also reveal shared loci influencing lifestyle exposures. Our findings offer the potential for a precision medicine strategy for future cardiovascular disease prevention.

Motivation: There is great interest to understand the impact of rare variants in human diseases using large sequence datasets. In deep sequences datasets of >10,000 samples, ~10% of the variant sites are observed to be multi-allelic. Many of the multi-allelic variants have been shown to be functional and disease relevant. Proper analysis of multi-allelic variants is critical to the success of a sequencing study, but existing methods do not properly handle multi-allelic variants and can produce highly misleading association results. Results: We propose novel methods to encode multi-allelic sites, conduct single variant and gene-level association analyses, and perform meta-analysis for multi-allelic variants. We evaluated these methods through extensive simulations and the study of a large meta-analysis of ~18,000 samples on the cigarettes-per-day phenotype. We showed that our joint modeling approach provided an unbiased estimate of genetic effects, greatly improved the power of single variant association tests, and enhanced gene-level tests over existing approaches. Availability: Software packages implementing these methods are available at (https://github.com/zhanxw/rvtests http://genome.sph.umich.edu/wiki/RareMETAL).

Body fat distribution is a heritable risk factor for a range of adverse health consequences, including hyperlipidemia and type 2 diabetes. To identify protein-coding variants associated with body fat distribution, assessed by waist-to-hip ratio adjusted for body mass index, we analyzed 228,985 predicted coding and splice site variants available on exome arrays in up to 344,369 individuals from five major ancestries for discovery and 132,177 independent European-ancestry individuals for validation. We identified 15 common (minor allele frequency, MAF ≥ 5%) and 9 low frequency or rare (MAF < 5%) coding variants that have not been reported previously. Pathway/gene set enrichment analyses of all associated variants highlight lipid particle, adiponectin level, abnormal white adipose tissue physiology, and bone development and morphology as processes affecting fat distribution and body shape. Furthermore, the cross-trait associations and the analyses of variant and gene function highlight a strong connection to lipids, cardiovascular traits, and type 2 diabetes. In functional follow-up analyses, specifically in Drosophila RNAi-knockdown crosses, we observed a significant increase in the total body triglyceride levels for two genes (DNAH10 and PLXND1). By examining variants often poorly tagged or entirely missed by genome-wide association studies, we implicate novel genes in fat distribution, stressing the importance of interrogating low-frequency and protein-coding variants.