Abstract Single-cell technologies have transformed our understanding of human tissues. Yet, studies typically capture only a limited number of donors and disagree on cell type definitions. Integrating many single-cell datasets can address these limitations of individual studies and capture the variability present in the population. Here we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA), combining 49 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.4 million cells from 486 individuals. The HLCA presents a consensus cell type re-annotation with matching marker genes, including annotations of rare and previously undescribed cell types. Leveraging the number and diversity of individuals in the HLCA, we identify gene modules that are associated with demographic covariates such as age, sex and body mass index, as well as gene modules changing expression along the proximal-to-distal axis of the bronchial tree. Mapping new data to the HLCA enables rapid data annotation and interpretation. Using the HLCA as a reference for the study of disease, we identify shared cell states across multiple lung diseases, including SPP1 + profibrotic monocyte-derived macrophages in COVID-19, pulmonary fibrosis and lung carcinoma. Overall, the HLCA serves as an example for the development and use of large-scale, cross-dataset organ atlases within the Human Cell Atlas.

Abstract Reduced lung function predicts mortality and is key to the diagnosis of COPD. In a genome-wide association study in 400,102 individuals of European ancestry, we define 279 lung function signals, one-half of which are new. In combination these variants strongly predict COPD in deeply-phenotyped patient populations. Furthermore, the combined effect of these variants showed generalisability across smokers and never-smokers, and across ancestral groups. We highlight biological pathways, known and potential drug targets for COPD and, in phenome-wide association studies, autoimmune-related and other pleiotropic effects of lung function associated variants. This new genetic evidence has potential to improve future preventive and therapeutic strategies for COPD.

ABSTRACT BACKGROUND Cell entry of SARS-CoV-2, the novel coronavirus causing COVID-19, is facilitated by host cell angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) and transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2). We aimed to identify and characterize genes that are co-expressed with ACE2 and TMPRSS2 , and to further explore their biological functions and potential as druggable targets. METHODS Using the gene expression profiles of 1,038 lung tissue samples, we performed a weighted gene correlation network analysis (WGCNA) to identify modules of co-expressed genes. We explored the biology of co-expressed genes using bioinformatics databases, and identified known drug-gene interactions. RESULTS ACE2 was in a module of 681 co-expressed genes; 12 genes with moderate-high correlation with ACE2 (r>0.3, FDR<0.05) had known interactions with existing drug compounds. TMPRSS2 was in a module of 1,086 co-expressed genes; 15 of these genes were enriched in the gene ontology biologic process ‘Entry into host cell’, and 53 TMPRSS2- correlated genes had known interactions with drug compounds. CONCLUSION Dozens of genes are co-expressed with ACE2 and TMPRSS2 , many of which have plausible links to COVID-19 pathophysiology. Many of the co-expressed genes are potentially targetable with existing drugs, which may help to fast-track the development of COVID-19 therapeutics.

Nearly 100 loci have been identified for pulmonary function, almost exclusively in studies of European ancestry populations. We extend previous research by meta-analyzing genome-wide association studies of 1000 Genomes imputed variants in relation to pulmonary function in a multiethnic population of 90,715 individuals of European (N=60,552), African (N=8,429), Asian (N=9,959), and Hispanic/Latino (N=11,775) ethnicities. We identified over 50 novel loci at genome-wide significance in ancestry-specific and/or multiethnic meta-analyses. Recent fine mapping methods incorporating functional annotation, gene expression, and/or differences in linkage disequilibrium between ethnicities identified potential causal variants and genes at known and newly identified loci. Sixteen of the novel genes encode proteins with predicted or established drug targets, including KCNK2 and CDK12.

Rationale: Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a complex lung disease characterised by scarring of the lung that is believed to result from an atypical response to injury of the epithelium. The mechanisms by which this arises are poorly understood and it is likely that multiple pathways are involved. The strongest genetic association with IPF is a variant in the promoter of MUC5B where each copy of the risk allele confers a five-fold risk of disease. However, genome-wide association studies have reported additional signals of association implicating multiple pathways including host defence, telomere maintenance, signalling and cell-cell adhesion. Objectives: To improve our understanding of mechanisms that increase IPF susceptibility by identifying previously unreported genetic associations. Methods and measurements: We performed the largest genome-wide association study undertaken for IPF susceptibility with a discovery stage comprising up to 2,668 IPF cases and 8,591 controls with replication in an additional 1,467 IPF cases and 11,874 controls. Polygenic risk scores were used to assess the collective effect of variants not reported as associated with IPF. Main results: We identified and replicated three new genome-wide significant (P<5×10−8) signals of association with IPF susceptibility (near KIF15 , MAD1L1 and DEPTOR ) and confirm associations at 11 previously reported loci. Polygenic risk score analyses showed that the combined effect of many thousands of as-yet unreported IPF risk variants contribute to IPF susceptibility. Conclusions: Novel association signals support the importance of mTOR signalling in lung fibrosis and suggest a possible role of mitotic spindle-assembly genes in IPF susceptibility.

Calcific aortic valve stenosis (CAVS) is a common and life-threatening heart disease with no drug that can stop or delay its progression. Elucidating the genetic factors underpinning CAVS is an urgent priority to find new therapeutic targets. Major landmarks in genetics of CAVS include the discoveries of NOTCH1 and LPA. However, genetic variants in these genes accounted for a small number of cases and low population-attributable risk. Here we mapped a new susceptibility locus for CAVS on chromosome 1p21.2 and identified PALMD (palmdelphin) as the causal gene. PALMD was revealed using a transcriptome-wide association study (TWAS), which combines a genome-wide association study (GWAS) of 1,009 cases and 1,017 ethnically-matched controls with the first large-scale expression quantitative trait loci (eQTL) mapping study on human aortic valve tissues (n=233). The CAVS risk alleles and increasing disease severity were both associated with lowered mRNA expression levels of PALMD in valve tissues. The top variant explained up to 12.5% of the population-attributable risk and showed similar effect and strong association with CAVS (P=1.53x10-10) in UK Biobank comparing 1,391 cases and 352,195 controls. The identification of PALMD as a susceptibility gene for CAVS provides new insights about the genetic nature of this disease and opens new avenues to investigate its etiology and develop much-needed therapeutic options.

Impaired lung function is often caused by cigarette smoking, making it challenging to disentangle its role in lung cancer susceptibility. Investigation of the shared genetic basis of these phenotypes in the UK Biobank and International Lung Cancer Consortium (29,266 cases, 56,450 controls) shows that lung cancer is genetically correlated with reduced forced expiratory volume in one second (FEV1: r g=0.098, p=2.3×10−8) and the ratio of FEV1 to forced vital capacity (FEV1/FVC: r g=0.137, p=2.0×10−12). Mendelian randomization analyses demonstrate that reduced FEV1 increases squamous cell carcinoma risk (odds ratio (OR)=1.51, 95% confidence intervals: 1.21-1.88), while reduced FEV1/FVC increases the risk of adenocarcinoma (OR=1.17, 1.01-1.35) and lung cancer in never smokers (OR=1.56, 1.05-2.30). These findings support a causal role of pulmonary impairment in lung cancer etiology. Integrative analyses reveal that pulmonary function instruments, including 73 novel variants, influence lung tissue gene expression and implicate immune-related pathways in mediating the observed effects on lung carcinogenesis.

Over 90 regions of the genome have been associated with lung function to date, many of which have also been implicated in chronic obstructive pulmonary disease (COPD). We carried out meta-analyses of exome array data and three lung function measures: forced expiratory volume in one second (FEV1), forced vital capacity (FVC) and the ratio of FEV1 to FVC (FEV1/FVC). These analyses by the SpiroMeta and CHARGE consortia included 60,749 individuals of European ancestry from 23 studies, and 7,721 individuals of African Ancestry from 5 studies in the discovery stage, with follow-up in up to 111,556 independent individuals. We identified significant (P<2.8x10-7) associations with six SNPs: a nonsynonymous variant in RPAP1, which is predicted to be damaging, three intronic SNPs (SEC24C, CASC17 and UQCC1) and two intergenic SNPs near to LY86 and FGF10. eQTL analyses found evidence for regulation of gene expression at three signals and implicated several genes including TYRO3 and PLAU. Further interrogation of these loci could provide greater understanding of the determinants of lung function and pulmonary disease.

We collated 129 non-overlapping risk loci for chronic obstructive pulmonary disease (COPD) from the GWAS literature. Using recent and complementary integrative genomics approaches, combining GWAS and lung eQTL results, we identified 12 novel COPD loci and corresponding causal genes. In addition, we mapped candidate causal genes for 60 out of the 129 GWAS-nominated loci as well as for four sub-genome-wide significant COPD risk loci derived from the largest GWAS on COPD. Mapping causal genes in lung tissue represents an important contribution on the genetics of COPD, enriches our biological interpretation of GWAS findings, and brings us closer to clinical translation of genetic associations.

Background: Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) inhibition reduces plasma concentrations of low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C), apolipoprotein B (apoB) and lipoprotein(a) [Lp(a)]. Atherogenic lipoprotein levels have been linked with calcific aortic valve stenosis (CAVS). Our objectives were to determine the association between variants in PCSK9 and lipoprotein-lipid levels, coronary artery disease (CAD) and CAVS, and to evaluate if PCSK9 could be implicated in aortic valve interstitial cells (VICs) calcification. Methods: We built a genetic risk score weight for LDL-C levels (wGRS) using 10 independent PCSK9 single nucleotide polymorphisms and determined its association with lipoprotein-lipid levels in 9692 participants of the EPIC-Norfolk study. We investigated the association between the wGRS and CAD and CAVS in the UK Biobank, as well as the association between the PCSK9 R46L variant and CAVS in a meta-analysis of published prospective, population-based studies (Copenhagen studies, 1463 cases/101,620 controls) and unpublished studies (UK Biobank, 1350 cases/349,043 controls, Malmo Diet and Cancer study, 682 cases/5963 controls and EPIC-Norfolk study, 508 cases/20,421 controls). We evaluated PCSK9 expression and localization in explanted aortic valves by capillary Western blot and immunohistochemistry in patients with and without CAVS. Von Kossa staining was used to visualize aortic leaflet calcium deposits. PCSK9 expression under oxidative stress conditions in VICs was assessed. Results: The wGRS was significantly associated with lower LDL-C and apoB (p<0.001), but not with Lp(a). In the UK Biobank, the association of PCSK9 variants with CAD were positively correlated with their effects on apoB levels. CAVS was less prevalent in carriers of the PCSK9 R46L variant [odds ratio=0.71 (95% confidence interval, 0.57-0.88), p<0.001]. PCSK9 expression was elevated in the aortic valves of patients with aortic sclerosis and CAVS compared to controls. In calcified leaflets, PCSK9 co-localized with calcium deposits. PCSK9 expression was induced by oxidative stress in VICs. Conclusion: Genetic inhibition of PCSK9 is associated with lifelong reductions in the levels of non-Lp(a) apoB-containing lipoproteins as well as lower odds of CAD and CAVS. PCSK9 is abundant in fibrotic and calcified aortic leaflets. Oxidative stress increases PCSK9 expression in VICs. These results provide a rationale for performing randomized clinical trials of PCSK9 inhibition in CAVS.