ABSTRACT BACKGROUND Conversion of adenosine in RNA to inosine by ADAR enzymes, termed ‘RNA editing’, occurs at thousands of sites across the transcriptome, and is required for healthy development of the central nervous system. RNA editing can modify protein sequences, and dampen the innate immune response. RNA editing is tissue-specific and partly genetically determined. Modifications of RNA editing sites contribute to multiple diseases, particularly neurodevelopmental and neuropsychiatric diseases. Despite the importance of RNA editing in the brain, nothing is known about this process in the human retina. We describe the landscape of retinal editing revealing its importance in key biological processes that underpin vision. METHODS & RESULTS We analysed the transcriptomes of >500 donor retinae and identified ∼153,000 high-confidence RNA editing sites. Some 80% of editing sites occurred within protein-coding RNA, with the majority in intronic Alu repeats, and 3’ UTR sequence. Novel retina-specific sites were concentrated in genes related to photoreceptor function and which cause retinitis pigmentosa, most notably in PDE6A. Exonic, protein recoding sites were enriched in zinc-finger domains. AMD subjects exhibit relatively few differences in RNA editing compared to controls, consistent with limited gene expression differences. We identified ∼10,000 editing QTLs. The genetic architecture of editing in the retina resembles the brain, whereas editing and expression QTLs in the retina show modest genetic overlap. We report colocalization between edQTLs and retinal disease GWAS peaks for age-related macular degeneration, glaucoma and macular telangiectasia. These findings provide new insights into epi-transcriptomic regulation of genes critical for vision, and elaborate putative genetic disease driver mechanisms that appear to be independent of changes in gene expression.

Purpose Macular telangiectasia type 2 (MacTel) is a rare, heritable and largely untreatable retinal disorder, often comorbid with diabetes. Genetic risk loci subtend retinal vascular calibre, and glycine/serine/threonine metabolism genes. Serine deficiency may contribute to MacTel via neurotoxic deoxysphingolipid production, however, an independent vascular contribution is also suspected. Here we use statistical genetics to dissect the causal mechanisms underpinning this complex disease.Methods We integrated genetic markers for MacTel, vascular, and metabolic traits, and applied Mendelian randomization, MTAG, and conditional/interaction genome-wide association analysis to discover causal contributors to both disease, and spatial retinal imaging sub-phenotypes.Results Serine was a key causal driver of disease occurrence and progression, with a lesser contribution to type 2 diabetes risk. Conversely, glycine, threonine and retinal vascular traits are unlikely to be causal for MacTel. Conditional regression analysis resolved three novel disease loci independent of endogenous serine biosynthetic capacity. By aggregating retinal phenotypes into endophenotypes, we demonstrate that SNPs constituting independent risk loci act via related endophenotypes.Discussion Our findings will aid in early diagnosis and accurate prognosis of MacTel, and improve prospects for effective therapeutic intervention. Our integrative genetics approach also serves as a useful template for post-GWAS analyses in other disorders.

Circulating levels of small molecules or metabolites are highly heritable, but the impact of genetic differences in metabolism on human health is not well understood. In this cross-platform, genome-wide meta-analysis of 174 metabolite levels across six cohorts including up to 86,507 participants (70% unpublished data), we identify 499 (362 novel) genome-wide significant associations (p<4.9x10-10) at 144 (94 novel) genomic regions. We show that inheritance of blood metabolite levels in the general population is characterized by pleiotropy, allelic heterogeneity, rare and common variants with large effects, non-linear associations, and enrichment for nonsynonymous variation in transporter and enzyme encoding genes. The majority of identified genes are known to be involved in biochemical processes regulating metabolite levels and to cause monogenic inborn errors of metabolism linked to specific metabolites, such as ASNS (rs17345286, MAF=0.27) and asparagine levels. We illustrate the influence of metabolite-associated variants on human health including a functional variant (rs17681684) in GLP2R associated with citrulline levels, impaired insulin secretion and type 2 diabetes risk. We link genetically-higher serine levels to a 95% reduction in the likelihood of developing macular telangiectasia type 2 [odds ratio (95% confidence interval) per standard deviation higher levels 0.05 (0.03-0.08; p=9.5x10-30)]. We further demonstrate the predictive value of genetic variants identified for serine or glycine levels for this rare and difficult to diagnose degenerative retinal disease [area under the receiver operating characteristic curve: 0.73 (95% confidence interval: 0.70-0.75)], for which low serine availability, through generation of deoxysphingolipids, has recently been shown to be causally relevant. These results show that integration of human genomic variation with circulating small molecule data obtained across different measurement platforms enables efficient discovery of genetic regulators of human metabolism and translation into clinical insights.

ABSTRACT BACKGROUND Conversion of adenosine to inosine in RNA by ADAR enzymes occurs at thousands of sites in the human transcriptome, and is essential for healthy brain development. This ‘RNA editing’ process is dysregulated in many neuropsychiatric diseases, but is little understood at the level of individual neurons. METHODS We quantified RNA editing sites in full-length capture nuclear transcriptomes of 3055 neurons from six cortical regions of a neurotypical post-mortem female donor. Putative editing sites were intersected with sites in bulk human tissue transcriptomes including healthy and neuropsychiatric brain tissue, and sites identified in single nuclei from unrelated brain donors. Differential editing between cell types and cortical regions, and individual sites and genes therein, was quantified using linear models. Associations between gene expression and editing were also tested. RESULTS We identified 41,930 RNA editing sites with robust read coverage in at least ten neuronal nuclei. Most sites were located within Alu repeats in introns or 3’ UTRs, and approximately 80% were catalogued in published RNA editing databases. We identified 9285 putative novel RNA editing sites, 29% of which were also detectable neuronal transcriptomes from unrelated donors. Inhibitory neurons showed higher overall transcriptome editing than excitatory neurons. Among the strongest correlates of global editing rates were snoRNAs from the SNORD115 and SNORD116 cluster (15q11), known to modulate serotonin receptor processing and to colocalize with ADAR2. We identified 29 genes preferentially edited in excitatory neurons and 44 genes edited more heavily in inhibitory neurons including RBFOX1, its target genes and small nucleolar RNA-associated genes in the autism-associated Prader-Willi locus 15q11. These results provide cell-type and spatial context for 1730 and 910 sites that are also edited in the brains of schizophrenic and autistic patients respectively, and a reference for future studies of RNA editing in single brain cells from these cohorts. CONCLUSIONS RNA editing, including thousands of previously unreported sites, is robustly detectable in single neuronal nuclei, where gene editing differences are stronger between cell subtypes than between cortical regions. Insufficient editing of ASD-related genes in inhibitory neurons may manifest in the specific perturbation of these cells in autism.