Abstract Scalable, integrative methods to understand mechanisms that link genetic variants with phenotypes are needed. Here we derive a mathematical expression to compute PrediXcan (a gene mapping approach) results using summary data (S-PrediXcan) and show its accuracy and general robustness to misspecified reference sets. We apply this framework to 44 GTEx tissues and 100+ phenotypes from GWAS and meta-analysis studies, creating a growing public catalog of associations that seeks to capture the effects of gene expression variation on human phenotypes. Replication in an independent cohort is shown. Most of the associations are tissue specific, suggesting context specificity of the trait etiology. Colocalized significant associations in unexpected tissues underscore the need for an agnostic scanning of multiple contexts to improve our ability to detect causal regulatory mechanisms. Monogenic disease genes are enriched among significant associations for related traits, suggesting that smaller alterations of these genes may cause a spectrum of milder phenotypes.

Ira Hall, Donald Conrad, the GTEx consortium and colleagues identify 23,602 high-confidence structural variants (SVs) and 24,884 cis expression quantitative trait loci (eQTLs) across 13 human tissues. They estimate that SVs are the causal variant at 3.5–6.8% of eQTLs and identify 789 SVs predicted to directly alter gene expression, most of which are noncoding variants in regulatory elements. Structural variants (SVs) are an important source of human genetic diversity, but their contribution to traits, disease and gene regulation remains unclear. We mapped cis expression quantitative trait loci (eQTLs) in 13 tissues via joint analysis of SVs, single-nucleotide variants (SNVs) and short insertion/deletion (indel) variants from deep whole-genome sequencing (WGS). We estimated that SVs are causal at 3.5–6.8% of eQTLs—a substantially higher fraction than prior estimates—and that expression-altering SVs have larger effect sizes than do SNVs and indels. We identified 789 putative causal SVs predicted to directly alter gene expression: most (88.3%) were noncoding variants enriched at enhancers and other regulatory elements, and 52 were linked to genome-wide association study loci. We observed a notable abundance of rare high-impact SVs associated with aberrant expression of nearby genes. These results suggest that comprehensive WGS-based SV analyses will increase the power of common- and rare-variant association studies.

Rare genetic variants are abundant in humans yet their functional effects are often unknown and challenging to predict. The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project provides a unique opportunity to identify the functional impact of rare variants through combined analyses of whole genomes and multi-tissue RNA-sequencing data. Here, we identify gene expression outliers, or individuals with extreme expression levels, across 44 human tissues, and characterize the contribution of rare variation to these large changes in expression. We find 58% of underexpression and 28% of overexpression outliers have underlying rare variants compared with 9% of non-outliers. Large expression effects are enriched for proximal loss-of-function, splicing, and structural variants, particularly variants near the TSS and at evolutionarily conserved sites. Known disease genes have expression outliers, underscoring that rare variants can contribute to genetic disease risk. To prioritize functional rare regulatory variants, we develop RIVER, a Bayesian approach that integrates RNA and whole genome sequencing data from the same individual. RIVER predicts functional variants significantly better than models using genomic annotations alone, and is an extensible tool for personal genome interpretation. Overall, we demonstrate that rare variants contribute to large gene expression changes across tissues with potential health consequences, and provide an integrative method for interpreting rare variants in individual genomes.

Structural variants (SVs) are an important source of human genetic diversity but their contribution to traits, disease, and gene regulation remains unclear. The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project presents an unprecedented opportunity to address this question due to the availability of deep whole genome sequencing (WGS) and multi-tissue RNA-seq data from 147 individuals. We used comprehensive methods to identify 24,157 high confidence SVs, and mapped cis expression quantitative trait loci (eQTLs) in 13 tissues via joint analysis of SVs, single nucleotide (SNV) and short insertion/deletion (indel) variants. We identified 24,801 eQTLs affecting the expression of 10,101 distinct genes. Based on haplotype structure and heritability partitioning, we estimate that SVs are the causal variant at 3.3-7.0% of eQTLs, which is nearly an order of magnitude higher than prior estimates from low coverage WGS and represents a 26- to 54-fold enrichment relative to their scarcity in the genome. Expression-altering SVs also have significantly larger effect sizes than SNVs and indels. We identified 787 putatively causal SVs predicted to directly alter gene expression, most of which (88.3%) are noncoding variants that show significant enrichment at enhancers and other regulatory elements. By evaluating linkage disequilibrium between SVs, SNVs and indels, we nominate 49 SVs as plausible causal variants at published genome-wide association study (GWAS) loci. Remarkably, 29.9% of the common SV-eQTLs are not well tagged by flanking SNVs, and we observe a notable abundance (relative to SNVs and indels) of rare, high impact SVs associated with aberrant expression of nearby genes. These results suggest that comprehensive WGS-based SV analyses will increase the power of both common and rare variant association studies.