Most patients with familial primary pulmonary hypertension have defects in the gene for bone morphogenetic protein receptor II (BMPR2), a member of the transforming growth factor β (TGF-β) superfamily of receptors. Because patients with hereditary hemorrhagic telangiectasia may have lung disease that is indistinguishable from primary pulmonary hypertension, we investigated the genetic basis of lung disease in these patients.

Primary pulmonary hypertension (PPH) is a potentially lethal disorder, because the elevation of the pulmonary arterial pressure may result in right-heart failure. Histologically, the disorder is characterized by proliferation of pulmonary-artery smooth muscle and endothelial cells, by intimal hyperplasia, and by in situ thrombus formation. Heterozygous mutations within the bone morphogenetic protein type II receptor (BMPR-II) gene (BMPR2), of the transforming growth factor β (TGF-β) cell–signaling superfamily, have been identified in familial and sporadic cases of PPH. We report the molecular spectrum of BMPR2 mutations in 47 additional families with PPH and in three patients with sporadic PPH. Among the cohort of patients, we have identified 22 novel mutations, including 4 partial deletions, distributed throughout the BMPR2 gene. The majority (58%) of mutations are predicted to lead to a premature termination codon. We have also investigated the functional impact and genotype-phenotype relationships, to elucidate the mechanisms contributing to pathogenesis of this important vascular disease. In vitro expression analysis demonstrated loss of BMPR-II function for a number of the identified mutations. These data support the suggestion that haploinsufficiency represents the common molecular mechanism in PPH. Marked variability of the age at onset of disease was observed both within and between families. Taken together, these studies illustrate the considerable heterogeneity of BMPR2 mutations that cause PPH, and they strongly suggest that additional factors, genetic and/or environmental, may be required for the development of the clinical phenotype. Primary pulmonary hypertension (PPH) is a potentially lethal disorder, because the elevation of the pulmonary arterial pressure may result in right-heart failure. Histologically, the disorder is characterized by proliferation of pulmonary-artery smooth muscle and endothelial cells, by intimal hyperplasia, and by in situ thrombus formation. Heterozygous mutations within the bone morphogenetic protein type II receptor (BMPR-II) gene (BMPR2), of the transforming growth factor β (TGF-β) cell–signaling superfamily, have been identified in familial and sporadic cases of PPH. We report the molecular spectrum of BMPR2 mutations in 47 additional families with PPH and in three patients with sporadic PPH. Among the cohort of patients, we have identified 22 novel mutations, including 4 partial deletions, distributed throughout the BMPR2 gene. The majority (58%) of mutations are predicted to lead to a premature termination codon. We have also investigated the functional impact and genotype-phenotype relationships, to elucidate the mechanisms contributing to pathogenesis of this important vascular disease. In vitro expression analysis demonstrated loss of BMPR-II function for a number of the identified mutations. These data support the suggestion that haploinsufficiency represents the common molecular mechanism in PPH. Marked variability of the age at onset of disease was observed both within and between families. Taken together, these studies illustrate the considerable heterogeneity of BMPR2 mutations that cause PPH, and they strongly suggest that additional factors, genetic and/or environmental, may be required for the development of the clinical phenotype.

Glucocerebrosidase (GBA) mutations have been associated with Parkinson’s disease in numerous studies. However, it is unknown whether the increased risk of Parkinson’s disease in GBA carriers is due to a loss of glucocerebrosidase enzymatic activity. We measured glucocerebrosidase enzymatic activity in dried blood spots in patients with Parkinson's disease (n = 517) and controls (n = 252) with and without GBA mutations. Participants were recruited from Columbia University, New York, and fully sequenced for GBA mutations and genotyped for the LRRK2 G2019S mutation, the most common autosomal dominant mutation in the Ashkenazi Jewish population. Glucocerebrosidase enzymatic activity in dried blood spots was measured by a mass spectrometry-based assay and compared among participants categorized by GBA mutation status and Parkinson’s disease diagnosis. Parkinson’s disease patients were more likely than controls to carry the LRRK2 G2019S mutation (n = 39, 7.5% versus n = 2, 0.8%, P < 0.001) and GBA mutations or variants (seven homozygotes and compound heterozygotes and 81 heterozygotes, 17.0% versus 17 heterozygotes, 6.7%, P < 0.001). GBA homozygotes/compound heterozygotes had lower enzymatic activity than GBA heterozygotes (0.85 µmol/l/h versus 7.88 µmol/l/h, P < 0.001), and GBA heterozygotes had lower enzymatic activity than GBA and LRRK2 non-carriers (7.88 µmol/l/h versus 11.93 µmol/l/h, P < 0.001). Glucocerebrosidase activity was reduced in heterozygotes compared to non-carriers when each mutation was compared independently (N370S, P < 0.001; L444P, P < 0.001; 84GG, P = 0.003; R496H, P = 0.018) and also reduced in GBA variants associated with Parkinson’s risk but not with Gaucher disease (E326K, P = 0.009; T369M, P < 0.001). When all patients with Parkinson’s disease were considered, they had lower mean glucocerebrosidase enzymatic activity than controls (11.14 µmol/l/h versus 11.85 µmol/l/h, P = 0.011). Difference compared to controls persisted in patients with idiopathic Parkinson’s disease (after exclusion of all GBA and LRRK2 carriers; 11.53 µmol/l/h, versus 12.11 µmol/l/h, P = 0.036) and after adjustment for age and gender (P = 0.012). Interestingly, LRRK2 G2019S carriers (n = 36), most of whom had Parkinson’s disease, had higher enzymatic activity than non-carriers (13.69 µmol/l/h versus 11.93 µmol/l/h, P = 0.002). In patients with idiopathic Parkinson’s, higher glucocerebrosidase enzymatic activity was associated with longer disease duration (P = 0.002) in adjusted models, suggesting a milder disease course. We conclude that lower glucocerebrosidase enzymatic activity is strongly associated with GBA mutations, and modestly with idiopathic Parkinson’s disease. The association of lower glucocerebrosidase activity in both GBA mutation carriers and Parkinson’s patients without GBA mutations suggests that loss of glucocerebrosidase function contributes to the pathogenesis of Parkinson’s disease. High glucocerebrosidase enzymatic activity in LRRK2 G2019S carriers may reflect a distinct pathogenic mechanism. Taken together, these data suggest that glucocerebrosidase enzymatic activity could be a modifiable therapeutic target. Glucocerebrosidase (GBA) mutations are common risk factors for Parkinson’s disease. Alcalay et al. measure glucocerebrosidase enzymatic activity in dried blood spots from patients with Parkinson’s disease with and without GBA mutations, and controls. Low glucocerebrosidase enzymatic activity is strongly associated with GBA mutations, and modestly associated with idiopathic Parkinson’s disease.

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 Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare and fatal vascular disease with heterogeneous clinical manifestations. To date, molecular determinants underlying the development of PAH and related outcomes remain poorly understood. Herein, we identify pulmonary primary oxysterol and bile acid synthesis (PPOBAS) as a previously unrecognized pathway central to PAH pathophysiology. Mass spectrometry analysis of 2,756 individuals across five independent studies revealed 51 distinct circulating metabolites that predicted PAH-related mortality and were enriched within the PPOBAS pathway. Across independent single-center PAH studies, PPOBAS pathway metabolites were also associated with multiple cardiopulmonary measures of PAH-specific pathophysiology. Furthermore, PPOBAS metabolites were found to be increased in human and rodent PAH lung tissue and specifically produced by pulmonary endothelial cells, consistent with pulmonary origin. Finally, a poly-metabolite risk score comprising 13 PPOBAS molecules was found to not only predict PAH-related mortality but also outperform current clinical risk scores. This work identifies PPOBAS as specifically altered within PAH and establishes needed prognostic biomarkers for guiding therapy in PAH. One-Sentence Summary This work identifies pulmonary primary oxysterol and bile acid synthesis as altered in pulmonary arterial hypertension, thus establishing a new prognostic test for this disease.

Abstract Background Abnormal remodeling of distal pulmonary arteries in patients with pulmonary arterial hypertension (PAH) leads to progressively increased pulmonary vascular resistance, followed by right ventricular hypertrophy and failure. Despite considerable advancements in PAH treatment prognosis remains poor. We aim to evaluate the potential for using the cytokine resistin as a genetic and biological marker for disease severity and survival in a large cohort of patients with PAH. Methods Biospecimens, clinical, and genetic data for 1121 adults with PAH, including 808 with idiopathic PAH (IPAH) and 313 with scleroderma-associated PAH (SSc-PAH), were obtained from a national repository. Serum resistin levels were measured by ELISA, and associations between resistin levels, clinical variables, and single nucleotide polymorphism genotypes were examined with multivariable regression models. Machine-learning (ML) algorithms were applied to develop and compare risk models for mortality prediction. Results Resistin levels were significantly higher in all PAH samples and PAH subtype (IPAH and SSc-PAH) samples than in controls ( P < .0001) and had significant discriminative abilities (AUCs of 0.84, 0.82, and 0.91, respectively; P < .001). High resistin levels (above 4.54 ng/mL) in PAH patients were associated with older age ( P = .001), shorter 6-min walk distance ( P = .001), and reduced cardiac performance (cardiac index, P = .016). Interestingly, mutant carriers of either rs3219175 or rs3745367 had higher resistin levels (adjusted P = .0001). High resistin levels in PAH patients were also associated with increased risk of death (hazard ratio: 2.6; 95% CI: 1.27–5.33; P < .0087). Comparisons of ML–derived survival models confirmed satisfactory prognostic value of the random forest model (AUC = 0.70, 95% CI: 0.62–0.79) for PAH. Conclusions This work establishes the importance of resistin in the pathobiology of human PAH. In line with its function in rodent models, serum resistin represents a novel biomarker for PAH prognostication and may indicate a new therapeutic avenue. ML-derived survival models highlighted the importance of including resistin levels to improve performance. Future studies are needed to develop multi-marker assays that improve noninvasive risk stratification.

BACKGROUND: Integrative multiomics can elucidate pulmonary arterial hypertension (PAH) pathobiology, but procuring human PAH lung samples is rare. METHODS: We leveraged transcriptomic profiling and deep phenotyping of the largest multicenter PAH lung biobank to date (96 disease and 52 control) by integration with clinicopathologic data, genome-wide association studies, Bayesian regulatory networks, single-cell transcriptomics, and pharmacotranscriptomics. RESULTS: We identified 2 potentially protective gene network modules associated with vascular cells, and we validated ASPN , coding for asporin, as a key hub gene that is upregulated as a compensatory response to counteract PAH. We found that asporin is upregulated in lungs and plasma of multiple independent PAH cohorts and correlates with reduced PAH severity. We show that asporin inhibits proliferation and transforming growth factor–β/phosphorylated SMAD2/3 signaling in pulmonary artery smooth muscle cells from PAH lungs. We demonstrate in Sugen-hypoxia rats that ASPN knockdown exacerbated PAH and recombinant asporin attenuated PAH. CONCLUSIONS: Our integrative systems biology approach to dissect the PAH lung transcriptome uncovered asporin as a novel protective target with therapeutic potential in PAH.

Vascular inflammation critically regulates endothelial cell (EC) pathophenotypes, particularly in pulmonary arterial hypertension (PAH). Dysregulation of lysosomal activity and cholesterol metabolism have known inflammatory roles in disease, but their relevance to PAH is unclear. In human pulmonary arterial ECs and in PAH, we found that inflammatory cytokine induction of the nuclear receptor coactivator 7 (NCOA7) both preserved lysosomal acidification and served as a homeostatic brake to constrain EC immunoactivation. Conversely, NCOA7 deficiency promoted lysosomal dysfunction and proinflammatory oxysterol/bile acid generation that, in turn, contributed to EC pathophenotypes. In vivo, mice deficient for Ncoa7 or exposed to the inflammatory bile acid 7α-hydroxy-3-oxo-4-cholestenoic acid (7HOCA) displayed worsened PAH. Emphasizing this mechanism in human PAH, an unbiased, metabolome-wide association study (N=2,756) identified a plasma signature of the same NCOA7-dependent oxysterols/bile acids associated with PAH mortality (P<1.1x10-6). Supporting a genetic predisposition to NCOA7 deficiency, in genome-edited, stem cell-derived ECs, the common variant intronic SNP rs11154337 in NCOA7 regulated NCOA7 expression, lysosomal activity, oxysterol/bile acid production, and EC immunoactivation. Correspondingly, SNP rs11154337 was associated with PAH severity via six-minute walk distance and mortality in discovery (N=93, P=0.0250; HR=0.44, 95% CI [0.21-0.90]) and validation (N=630, P=2x10-4; HR=0.49, 95% CI [0.34-0.71]) cohorts. Finally, utilizing computational modeling of small molecule binding to NCOA7, we predicted and synthesized a novel activator of NCOA7 that prevented EC immunoactivation and reversed indices of rodent PAH. In summary, we have established a genetic and metabolic paradigm and a novel therapeutic agent that links lysosomal biology as well as oxysterol and bile acid processes to EC inflammation and PAH pathobiology. This paradigm carries broad implications for diagnostic and therapeutic development in PAH and in other conditions dependent upon acquired and innate immune regulation of vascular disease.