African genomics and skin color Skin color varies among human populations and is thought to be under selection, with light skin maximizing vitamin D production at higher latitudes and dark skin providing UV protection in equatorial zones. To identify the genes that give rise to the palette of human skin tones, Crawford et al. applied genome-wide analyses across diverse African populations (see the Perspective by Tang and Barsh). Genetic variants were identified with likely function in skin phenotypes. Comparison to model organisms verified a conserved function of MFSD12 in pigmentation. A global genetic panel was used to trace how alleles associated with skin color likely moved across the globe as humans migrated, both within and out of Africa. Science , this issue p. eaan8433 ; see also p. 867

Abstract Traumatic brain injury (TBI) is a leading global cause of death and disability. Here we demonstrate in an experimental mouse model of TBI that mild forms of brain trauma cause severe deficits in meningeal lymphatic drainage that begin within hours and last out to at least one month post-injury. To investigate a mechanism underlying impaired lymphatic function in TBI, we examined how increased intracranial pressure (ICP) influences the meningeal lymphatics. We demonstrate that increased ICP can contribute to meningeal lymphatic dysfunction. Moreover, we show that pre-existing lymphatic dysfunction before TBI leads to increased neuroinflammation and negative cognitive outcomes. Finally, we report that rejuvenation of meningeal lymphatic drainage function in aged mice can ameliorate TBI-induced gliosis. These findings provide insights into both the causes and consequences of meningeal lymphatic dysfunction in TBI and suggest that therapeutics targeting the meningeal lymphatic system may offer strategies to treat TBI.

Abstract Neurodegeneration and its concomitant loss of cognitive function is associated with inflammation and an accumulation of lipids, in particular cholesterol. In the brain, cholesterol is made in astrocytes and transported to surrounding cells by apolipoprotein E (apoE). Elevated cholesterol promotes inflammation in peripheral tissues, but whether astrocyte cholesterol can drive inflammation in the brain is unclear. Here we show that pro-inflammatory cytokines induce cholesterol synthesis in astrocytes. The astrocytes release the cholesterol and immune cells take it up, which causes clustering of proinflammatory receptors in lipid rafts, perpetuating the inflammatory signal. Knockout of cholesterol synthesis in astrocytes blocks the production of inflammatory cytokines in an AD mouse brain and reduces neuroinflammation induced by peripheral injection of lipopolysaccharide (LPS) into the mouse. We conclude that astrocyte cholesterol is a paracrine signal to microglia and tissue-resident macrophages, resulting in increased neuroinflammation.

Abstract The main factors that determine eye colour are the amount of melanin concentrated in iris melanocytes, as well as the shape and distribution of melanosomes. Eye colour is highly variable in populations with European ancestry, in which eye colour categories cover a continuum of low to high quantities of melanin accumulated in the iris. A few polymorphisms in the HERC2/OCA2 locus in chromosome 15 have the largest effect on eye colour in these populations, although there is evidence of other variants in the locus and across the genome also influencing eye colour. To improve our understanding of the genetic loci determining eye colour, we performed a meta-analysis of genome-wide association studies in a Canadian cohort of European ancestry (N= 5,641) and investigated putative causal variants. Our fine-mapping results indicate that there are several candidate causal signals in the HERC2/OCA2 region, whereas other significant loci in the genome likely harbour a single causal signal (TYR, TYRP1, IRF4, SLC24A4). Furthermore, a short subset of the associated eye colour regions was colocalized with the gene expression or methylation profiles of cultured melanocytes (HERC2, OCA2), and transcriptome-wide association studies highlighted the expression of two genes associated with eye colour: SLC24A4 and OCA2. Finally, genetic correlations of eye and hair colour from the same cohort suggest high pleiotropy at the genome level, but locus-level evidence hints at several differences in the genetic architecture of both traits. Overall, we provide a better picture of how polymorphisms modulate eye colour variation, particularly in the HERC2/OCA2 locus, which may be a consequence of specific molecular processes in the iris melanocytes. Author Summary Eye colour differences among humans are the result of different amounts of melanin produced, as well as due to differences in the shape and distribution of the organelles in charge of producing melanin. Eye colour is a highly heritable trait, where several genes across the genome are involved in the process, but we currently do not fully understand which are the causal variants and how they modulate eye colour variation. By performing genome-wide association studies of eye colour across Canadian individuals of European ancestry, we identify several candidate causal signals in and near the gene OCA2, and one candidate signal in other genes, such as TYR, TYRP1, IRF4 and SLC24A4. Furthermore, we provide insights about how significant loci may modulate eye colour variation by testing for shared signals with polymorphisms associated with the expression of genes and DNA methylation. Overall, we provide a better picture of the genetic architecture of eye colour and the molecular mechanisms contributing to its variation.

Abstract While expression quantitative trait loci (eQTL) have been powerful in identifying susceptibility genes from genome-wide association studies (GWAS) findings, most trait-associated loci are not explained by eQTL alone. Alternative QTLs including DNA methylation QTL (meQTL) are emerging, but cell-type-specific meQTL using cells of disease origin has been lacking. Here we established an meQTL dataset using primary melanocytes from 106 individuals and identified 1,497,502 significant cis -meQTLs. Multi-QTL colocalization using meQTL, eQTL, and mRNA splice-junction QTL from the same individuals together with imputed methylome-wide and transcriptome-wide association studies identified susceptibility genes at 63% of melanoma GWAS loci. Among three molecular QTLs, meQTLs were the single largest contributor. To compare melanocyte meQTLs with those from malignant melanomas, we performed meQTL analysis on skin cutaneous melanomas from The Cancer Genome Atlas (n = 444). A substantial proportion of meQTL probes (45.9%) in primary melanocytes are preserved in melanomas, while a smaller fraction of eQTL genes is preserved (12.7%). Integration of melanocyte multi-QTL and melanoma meQTL identified candidate susceptibility genes at 72% of melanoma GWAS loci. Beyond GWAS annotation, meQTL-eQTL colocalization in melanocytes suggested that 841 unique genes potentially share a causal variant with a nearby methylation probe in melanocytes. Finally, melanocyte trans -meQTL identified a hotspot for rs12203592, a cis -eQTL of a transcription factor, IRF4, with 131 candidate target CpGs. Motif enrichment and IRF4 ChIPseq analysis demonstrated that these target CpGs are enriched in IRF4 binding sites, suggesting an IRF4-mediated regulatory network. Our study highlights the utility of cell-type-specific meQTL.

Abstract Toxoplasma gondii is a ubiquitous intracellular protozoan parasite that establishes a life-long chronic infection largely restricted to the central nervous system (CNS). Constant immune pressure, notably IFN-γ-STAT1 signaling, is required for preventing fatal pathology during T. gondii infection. Here, we report that abrogation of STAT1 signaling in microglia, the resident immune cells of the CNS, is sufficient to induce a loss of parasite control in the CNS and susceptibility to toxoplasmic encephalitis during the early stages of chronic infection. Using a microglia-specific genetic labeling and targeting system that discriminates microglia from blood-derived myeloid cells that infiltrate the brain during infection, we find that, contrary to previous in vitro reports, microglia do not express inducible nitric-oxide synthase (iNOS) during T. gondii infection in vivo . Instead, transcriptomic analyses of microglia reveal that STAT1 regulates both (i) a transcriptional shift from homeostatic to “disease-associated microglia” (DAM) phenotype conserved across several neuroinflammatory models, including T. gondii infection, and (ii) the expression of anti-parasitic cytosolic molecules that are required for eliminating T. gondii in a cell-intrinsic manner. Further, genetic deletion of Stat1 from microglia during T. gondii challenge leads to fatal pathology despite largely equivalent or enhanced immune effector functions displayed by brain-infiltrating immune populations. Finally, we show that microglial STAT1-deficiency results in the overrepresentation of the highly replicative, lytic tachyzoite form of T. gondii , relative to its quiescent, semi-dormant bradyzoite form typical of chronic CNS infection. Our data suggest an overall protective role of CNS-resident microglia against T. gondii infection, illuminating (i) general mechanisms of CNS-specific immunity to infection (ii) and a clear role for IFN-STAT1 signaling in regulating a microglial activation phenotype observed across diverse neuroinflammatory disease states.

Most expression quantitative trait loci (eQTL) studies to date have been performed in heterogeneous tissues as opposed to specific cell types. To better understand the cell-type specific regulatory landscape of human melanocytes, which give rise to melanoma but account for <5% of typical human skin biopsies, we performed an eQTL analysis in primary melanocyte cultures from 106 newborn males. We identified 597,335 cis-eQTL SNPs prior to LD-pruning and 4,997 eGenes (FDR<0.05), which are higher numbers than in any GTEx tissue type with a similar sample size. Melanocyte eQTLs differed considerably from those identified in the 44 GTEx tissues, including skin. Over a third of melanocyte eGenes, including key genes in melanin synthesis pathways, were not observed to be eGenes in two types of GTEx skin tissues or TCGA melanoma samples. The melanocyte dataset also identified cell-type specific trans-eQTLs with a pigmentation-associated SNP for four genes, likely through its cis-regulation of IRF4, encoding a transcription factor implicated in human pigmentation phenotypes. Melanocyte eQTLs are enriched in cis-regulatory signatures found in melanocytes as well as melanoma-associated variants identified through genome-wide association studies (GWAS). Co-localization of melanoma GWAS variants and eQTLs from melanocyte and skin eQTL datasets identified candidate melanoma susceptibility genes for six known GWAS loci including unique genes identified by the melanocyte dataset. Further, a transcriptome-wide association study using published melanoma GWAS data uncovered four new loci, where imputed expression levels of five genes (ZFP90, HEBP1, MSC, CBWD1, and RP11-383H13.1) were associated with melanoma at genome-wide significant P-values. Our data highlight the utility of lineage-specific eQTL resources for annotating GWAS findings and present a robust database for genomic research of melanoma risk and melanocyte biology.

Abstract Genome-wide association studies have identified a melanoma-associated locus on chromosome band 7p21.1 with rs117132860 as the lead SNP, and a secondary independent signal marked by rs73069846. rs117132860 is also associated with tanning ability and cutaneous squamous cell carcinoma (cSCC). As ultraviolet radiation (UVR) is a key environmental exposure for all three traits, we investigated the mechanisms by which this locus contributes to melanoma risk, focusing on cellular response to UVR. Fine-mapping of melanoma GWAS identified four independent sets of candidate causal variants. A GWAS region-focused Capture-C study of primary melanocytes identified physical interactions between two causal sets and the promoter of the aryl hydrocarbon receptor gene ( AHR ). Subsequent chromatin state annotation, eQTL, and luciferase assays identified rs117132860 as a functional variant and reinforced AHR as a likely causal gene. As AHR plays critical roles in cellular response to dioxin and UVR, we explored links between this SNP and AHR expression after both 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) and ultraviolet B (UVB) exposure. Allele-specific AHR binding to rs117132860-G was enhanced following both, consistent with predicted weakened AHR binding to the risk/poor-tanning rs117132860-A allele, and allele-preferential AHR expression driven from the protective rs117132860-G allele was observed following UVB exposure. Small deletions surrounding rs117132860 via CRISPR abrogates AHR binding, reduces melanocyte cell growth, and prolongs growth arrest following UVB exposure. These data suggest AHR is a melanoma susceptibility gene at the 7p21.1 risk locus, and rs117132860 is a functional variant within a UVB-responsive element, leading to allelic AHR expression, and altering melanocyte growth phenotypes upon exposure.

An intact immune response is critical for survival of hosts chronically infected with Toxoplasma gondii. We observe clusters of macrophages surrounding replicating parasite in brain tissue, but the initial cues which instruct focal inflammatory reactions in the central nervous system (CNS) are not well understood. One potential mechanism of broad relevance is host cell damage. Here we find that IL-33, a nuclear alarmin, is critical for control of T. gondii parasites in the brain. IL-33 is expressed by oligodendrocytes and astrocytes during T. gondii infection, and a loss of nuclear IL-33 staining is observed in association with replicating T. gondii in infected mouse and human brain tissue, suggestive of IL-33 release. IL-33 signaling is required for induction of chemokines in astrocytes, including focal CCL2 production as visualized using CCL2-mCherry reporter mice. Bone marrow chimera experiments support the hypothesis that IL-33 could be acting directly on astrocytes, as the relevant IL-33-responding cell is radio-resistant. In alignment with CCL2 induction, IL-33 signaling is required for the infiltration of CCR2+ myeloid cells that express anti-parasitic iNOS locally. These results expand our knowledge of alarmin signaling in the brain, an environment which is unique from the periphery and demonstrates the importance of a single damage signal in focal control of T. gondii infection in the CNS.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified ~20 melanoma susceptibility loci. To identify susceptibility genes and variants simultaneously from multiple GWAS loci, we integrated massively-parallel reporter assays (MPRA) with cell type-specific epigenomic data as well as melanocyte-specific expression quantitative trait loci (eQTL) profiling. Starting from 16 melanoma loci, we selected 832 variants overlapping active regions of chromatin in cells of melanocytic lineage and identified 39 candidate functional variants displaying allelic transcriptional activity by MPRA. For four of these loci, we further identified four colocalizing melanocyte cis -eQTL genes ( CTSS , CASP8 , MX2 , and MAFF ) matching the allelic activity of MPRA functional variants. Among these, we further characterized the locus encompassing the HIV-1 restriction gene, MX2 , on chromosome band Chr21q22.3 and validated a functional variant, rs398206, among multiple high LD variants. rs398206 mediates allelic transcriptional activity via binding of the transcription factor, YY1. This allelic transcriptional regulation is consistent with a significant cis -eQTL of MX2 in primary human melanocytes, where the melanoma risk-associated A allele of rs398206 is correlated with higher MX2 levels. Melanocyte-specific transgenic expression of human MX2 in a zebrafish model demonstrated accelerated melanoma formation in a BRAF V600E background. Thus, using an efficient scalable approach to streamline GWAS follow-up functional studies, we identified multiple candidate melanoma susceptibility genes and variants, and uncovered a pleiotropic function of MX2 in melanoma susceptibility.