Abstract Circulating proteins are prognostic for human outcomes including cancer, heart failure, brain trauma and brain amyloid plaque burden. A deep serum proteome survey recently revealed close associations of serum protein networks and common diseases. The present study reveals unprecedented number of individual serum proteins that overlap genetic signatures of diseases emanating from different tissues of the body. Here, 54,469 low-frequency and common exome-array variants were compared with 4782 protein measurements in the serum of 5343 individuals of the deeply annotated AGES Reykjavik cohort. Using a study-wide significant threshold, 2019 independent exome array variants affecting levels of 2135 serum proteins were identified. These variants overlapped genetic loci for hundreds of complex disease traits, emphasizing the emerging role for serum proteins as biomarkers of and potential causative agents of multiple diseases.

Abstract With the growing number of genetic association studies, the genotype-phenotype atlas has become increasingly more complex, yet the functional consequences of most disease associated alleles is not understood. The measurement of protein level variation in solid tissues and biofluids integrated with genetic variants offers a path to deeper functional insights. Here we present a large-scale proteogenomic study in 5,368 individuals, revealing 4,113 independent associations between genetic variants and 2,099 serum proteins, of which 37% are previously unreported. The majority of both cis - and trans -acting genetic signals are unique for a single protein, although our results also highlight numerous highly pleiotropic genetic effects on protein levels and demonstrate that a protein’s genetic association profile reflects certain characteristics of the protein, including its location in protein networks, tissue specificity and intolerance to loss of function mutations. Integrating protein measurements with deep phenotyping of the cohort, we observe substantial enrichment of phenotype associations for serum proteins regulated by established GWAS loci, and offer new insights into the interplay between genetics, serum protein levels and complex disease.