Uncovering the interaction between genomes and the environment is a principal challenge of modern genomics and preventive medicine. While theoretical models are well defined, little is known of the GxE interactions in humans. We used a system biology approach to comprehensively assess the interactions between 1.6 million environmental exposure data, health, and expression phenotypes, together with whole genome genetic variation, for 1000 individuals from a founder-population in Quebec. We reveal a substantial impact of the urbanization gradient on the transcriptome and clinical endophenotypes, overpowering that of genetic ancestry. In detail, air pollution impacts gene expression and pathways affecting cardio-metabolic and respiratory traits when controlling for genetic ancestry. Finally, we capture 34 clinically associated expression quantitative trait loci that interact with the environment (air pollution). Our findings demonstrate how the local environment directly affects chronic disease development, and that genetic variation, including rare variants, can modulate individual9s response to environmental challenges.

Abstract Mercury can be very toxic at low environmental concentrations by impairing immunological, neurological, and other vital pathways in humans and animals. Aquatic ecosystems are heavily impacted by mercury pollution, with evidence of biomagnification through the food web. We examined the effect of mercury toxicity on the spleen, one of the primary immune organs in fish, in natural populations of the three-spined stickleback ( Gasterosteus aculeatus Linnaeus, 1758). Our aim was to better understand adaptation to high mercury environments by investigating transcriptomic changes in the spleen. Three stickleback populations with mean Hg muscle concentrations above and three populations with mean Hg muscle concentrations below the European Biota Quality Standard of 20 ng/g wet weight were selected from the Scheldt and Meuse basin in Belgium. We then conducted RNA sequencing of the spleen tissue of 22 females from these populations. We identified 136 differentially expressed genes between individuals from populations with high and low mean mercury content. The 129 genes that were upregulated were related to the neurological system, immunological activity, hormonal regulation, and inorganic cation transporter activity. Seven genes were downregulated and were all involved in pre-mRNA splicing. The results are indicative of our ability to detect molecular alterations in natural populations that exceed an important environmental quality standard. This allows us to assess the biological relevance of such standards, offering an opportunity to better describe and manage mercury-associated environmental health risks in aquatic populations.

Circulating tumor DNA (ctDNA) positivity at diagnosis, which is associated with worse outcomes in multiple solid tumors including stage I–III non-small cell lung cancer (NSCLC), may have utility to guide (neo)adjuvant therapy. In this retrospective study, 260 patients with clinical stage I NSCLC (180 adenocarcinoma, 80 squamous cell carcinoma) were allocated (2:1) to high- and low-risk groups based on relapse versus disease-free status ≤5 years post-surgery. We evaluated the association of preoperative ctDNA detection by a plasma-only targeted methylation-based multi-cancer early detection (MCED) test with NSCLC relapse ≤5 years post-surgery in the overall population, followed by histology-specific subgroup analyses. Across clinical stage I patients, preoperative ctDNA detection did not associate with relapse within 5 years post-surgery. Sub-analyses confined to lung adenocarcinoma suggested a histology-specific association between ctDNA detection and outcome. In this group, ctDNA positivity tended to associate with relapse within 2 years, suggesting prognostic implications of MCED test positivity may be histology- and time-dependent in stage I NSCLC. Preoperative ctDNA detection was associated with upstaging of clinical stage I to pathological stage II–III NSCLC. Our findings suggest preoperative ctDNA detection in patients with resectable clinical stage I NSCLC using MCED, a pan-cancer screening test developed for use in an asymptomatic population, has no detectable prognostic value for relapse ≤5 years post-surgery. MCED detection may be associated with early adenocarcinoma relapse and increased pathological upstaging rates in stage I NSCLC. However, given the exploratory nature of these findings, independent validation is required.

Somatic mutations accumulate in non-coding regions of the genome during tumorigenesis, but their functional characterization presents a challenge. Somatic non-coding mutations rarely overlap among patients, which necessitates large sample sizes to detect associations. We analysed somatic mutations called from whole-genome sequencing (WGS) and RNA sequencing (RNAseq) from 3000 tumors across the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes to identify and functionally characterize mutation accumulation and its impact on gene dysregulation in cancer. We identified 1.5 million motif disruption domains (MDDs) across 40 cancer types, which we characterized as pan-cancer targets for recurrent mutation accumulation. These MDDs deregulate gene expression in cancer-specific and pan-cancer patterns by disrupting transcription factor binding sites in regulatory and insulator elements. Disruption is most recurrent across individuals at MDDs in conserved open chromatin, revealing potential drivers. This accumulation of somatic variants targeting regulatory and structural elements in MDDs generates gene expression dysregulation during tumorigenesis.