Modern genotyping platforms permit a systematic search for inherited components of complex diseases. We performed a joint analysis of two genomewide association studies of coronary artery disease.

Background Variability of gene expression in human may link gene sequence variability and phenotypes; however, non-genetic variations, alone or in combination with genetics, may also influence expression traits and have a critical role in physiological and disease processes. Methodology/Principal Findings To get better insight into the overall variability of gene expression, we assessed the transcriptome of circulating monocytes, a key cell involved in immunity-related diseases and atherosclerosis, in 1,490 unrelated individuals and investigated its association with >675,000 SNPs and 10 common cardiovascular risk factors. Out of 12,808 expressed genes, 2,745 expression quantitative trait loci were detected (P<5.78×10−12), most of them (90%) being cis-modulated. Extensive analyses showed that associations identified by genome-wide association studies of lipids, body mass index or blood pressure were rarely compatible with a mediation by monocyte expression level at the locus. At a study-wide level (P<3.9×10−7), 1,662 expression traits (13.0%) were significantly associated with at least one risk factor. Genome-wide interaction analyses suggested that genetic variability and risk factors mostly acted additively on gene expression. Because of the structure of correlation among expression traits, the variability of risk factors could be characterized by a limited set of independent gene expressions which may have biological and clinical relevance. For example expression traits associated with cigarette smoking were more strongly associated with carotid atherosclerosis than smoking itself. Conclusions/Significance This study demonstrates that the monocyte transcriptome is a potent integrator of genetic and non-genetic influences of relevance for disease pathophysiology and risk assessment.

Andre Franke and colleagues perform a genome-wide association study for the gut microbiome, examining the influence of host genetics on overall microbial variation and individual taxa. They find significant associations at the VDR (vitamin D receptor) locus and observe correlations between microbiota and metabolites of VDR, including bile acids. Human gut microbiota is an important determinant for health and disease, and recent studies emphasize the numerous factors shaping its diversity. Here we performed a genome-wide association study (GWAS) of the gut microbiota using two cohorts from northern Germany totaling 1,812 individuals. Comprehensively controlling for diet and non-genetic parameters, we identify genome-wide significant associations for overall microbial variation and individual taxa at multiple genetic loci, including the VDR gene (encoding vitamin D receptor). We observe significant shifts in the microbiota of Vdr−/− mice relative to control mice and correlations between the microbiota and serum measurements of selected bile and fatty acids in humans, including known ligands and downstream metabolites of VDR. Genome-wide significant (P < 5 × 10−8) associations at multiple additional loci identify other important points of host–microbe intersection, notably several disease susceptibility genes and sterol metabolism pathway components. Non-genetic and genetic factors each account for approximately 10% of the variation in gut microbiota, whereby individual effects are relatively small.

Machine learning methods and in particular random forests are promising approaches for prediction based on high dimensional omics data sets. They provide variable importance measures to rank predictors according to their predictive power. If building a prediction model is the main goal of a study, often a minimal set of variables with good prediction performance is selected. However, if the objective is the identification of involved variables to find active networks and pathways, approaches that aim to select all relevant variables should be preferred. We evaluated several variable selection procedures based on simulated data as well as publicly available experimental methylation and gene expression data. Our comparison included the Boruta algorithm, the Vita method, recurrent relative variable importance, a permutation approach and its parametric variant (Altmann) as well as recursive feature elimination (RFE). In our simulation studies, Boruta was the most powerful approach, followed closely by the Vita method. Both approaches demonstrated similar stability in variable selection, while Vita was the most robust approach under a pure null model without any predictor variables related to the outcome. In the analysis of the different experimental data sets, Vita demonstrated slightly better stability in variable selection and was less computationally intensive than Boruta. In conclusion, we recommend the Boruta and Vita approaches for the analysis of high-dimensional data sets. Vita is considerably faster than Boruta and thus more suitable for large data sets, but only Boruta can also be applied in low-dimensional settings.

Background & AimsAdministration of tryptophan and some of its metabolites reduces the severity of colitis in mice, whereas removing tryptophan from the diet increases susceptibility to colitis. Transfer of the intestinal microbiome transfers the colitogenic phenotype from tryptophan starved animals to normally nourished mice. We aimed to systematically evaluate serum levels of tryptophan and its metabolites in patients with inflammatory bowel diseases (IBD), and study their association with clinical and serologic features.MethodsWe studied 535 consecutive patients with IBD (211 with ulcerative colitis [UC], 234 with Crohn’s disease [CD]; 236 male), enrolled in Germany from August 2013 through April 2014 and followed until July 2016. Serum samples were collected from patients and 291 matched individuals without IBD (controls); levels of tryptophan were measured using high-performance liquid chromatography. Metabolites of tryptophan were measured in serum from 148 patients and 100 controls by mass spectrometry. We measured levels of interleukin 22 in serum from 28 patients by enzyme-linked immunosorbent assay. Paired stool and serum samples were collected from a subset of patients with active UC (n = 10) or CD (n = 8) to investigate associations between serum levels of tryptophan and composition of the fecal microbiota, analyzed by 16S ribosomal DNA amplicon sequencing. We used real-time polymerase chain reaction to measure levels of messenger RNAs in colonic biopsies from 60 patients with UC, 50 with CD, and 30 controls. We collected information on patients’ disease activity scores, medications, laboratory assessments, and clinical examinations during recruitment and follow-up visits.ResultsSerum levels of tryptophan were significantly lower in patients with IBD than in controls (P = 5.3 × 10−6) with a stronger reduction in patients with CD (vs control; P = 1.1 × 10−10) than UC (vs control; P = 2.8 × 10−3). We found a negative correlation between serum levels of tryptophan and disease activity or levels of C-reactive protein. Levels of messenger RNAs encoding tryptophan 2,3-dioxygenase-2 and solute carrier family 6 member 19 (also called B0AT1) were significantly decreased in colonic biopsies from patients with IBD compared with controls, whereas level of messenger RNA encoding indoleamine 2,3-dioxygenase-1 was significantly increased. The composition of the fecal microbiota associated with serum levels of tryptophan. Analysis of tryptophan metabolites revealed activation of the kynurenine pathway, based on high levels of quinolinic acid, in patients with IBD compared with controls. Serum concentration of interleukin 22 associated with disease activity in patients with IBD; there was an inverse association between levels of interleukin 22 and serum levels of tryptophan.ConclusionsIn an analysis of serum samples from more than 500 patients with IBD, we observed a negative correlation between serum levels of tryptophan and disease activity. Increased levels of tryptophan metabolites—especially of quinolinic acid—indicated a high activity of tryptophan degradation in patients with active IBD. Tryptophan deficiency could contribute to development of IBD or aggravate disease activity. Interventional clinical studies are needed to determine whether modification of intestinal tryptophan pathways affects the severity of IBD. Administration of tryptophan and some of its metabolites reduces the severity of colitis in mice, whereas removing tryptophan from the diet increases susceptibility to colitis. Transfer of the intestinal microbiome transfers the colitogenic phenotype from tryptophan starved animals to normally nourished mice. We aimed to systematically evaluate serum levels of tryptophan and its metabolites in patients with inflammatory bowel diseases (IBD), and study their association with clinical and serologic features. We studied 535 consecutive patients with IBD (211 with ulcerative colitis [UC], 234 with Crohn’s disease [CD]; 236 male), enrolled in Germany from August 2013 through April 2014 and followed until July 2016. Serum samples were collected from patients and 291 matched individuals without IBD (controls); levels of tryptophan were measured using high-performance liquid chromatography. Metabolites of tryptophan were measured in serum from 148 patients and 100 controls by mass spectrometry. We measured levels of interleukin 22 in serum from 28 patients by enzyme-linked immunosorbent assay. Paired stool and serum samples were collected from a subset of patients with active UC (n = 10) or CD (n = 8) to investigate associations between serum levels of tryptophan and composition of the fecal microbiota, analyzed by 16S ribosomal DNA amplicon sequencing. We used real-time polymerase chain reaction to measure levels of messenger RNAs in colonic biopsies from 60 patients with UC, 50 with CD, and 30 controls. We collected information on patients’ disease activity scores, medications, laboratory assessments, and clinical examinations during recruitment and follow-up visits. Serum levels of tryptophan were significantly lower in patients with IBD than in controls (P = 5.3 × 10−6) with a stronger reduction in patients with CD (vs control; P = 1.1 × 10−10) than UC (vs control; P = 2.8 × 10−3). We found a negative correlation between serum levels of tryptophan and disease activity or levels of C-reactive protein. Levels of messenger RNAs encoding tryptophan 2,3-dioxygenase-2 and solute carrier family 6 member 19 (also called B0AT1) were significantly decreased in colonic biopsies from patients with IBD compared with controls, whereas level of messenger RNA encoding indoleamine 2,3-dioxygenase-1 was significantly increased. The composition of the fecal microbiota associated with serum levels of tryptophan. Analysis of tryptophan metabolites revealed activation of the kynurenine pathway, based on high levels of quinolinic acid, in patients with IBD compared with controls. Serum concentration of interleukin 22 associated with disease activity in patients with IBD; there was an inverse association between levels of interleukin 22 and serum levels of tryptophan. In an analysis of serum samples from more than 500 patients with IBD, we observed a negative correlation between serum levels of tryptophan and disease activity. Increased levels of tryptophan metabolites—especially of quinolinic acid—indicated a high activity of tryptophan degradation in patients with active IBD. Tryptophan deficiency could contribute to development of IBD or aggravate disease activity. Interventional clinical studies are needed to determine whether modification of intestinal tryptophan pathways affects the severity of IBD.

Atopic dermatitis (AD) affects up to 20% of children and adults worldwide. To gain a deeper understanding of the pathophysiology of AD, we conducted a large-scale transcriptomic study of AD with deeply sequenced RNA-sequencing samples using long (126-bp) paired-end reads. In addition to the comparisons against previous transcriptomic studies, we conducted in-depth analysis to obtain a high-resolution view of the global architecture of the AD transcriptome and contrasted it with that of psoriasis from the same cohort. By using 147 RNA samples in total, we found striking correlation between dysregulated genes in lesional psoriasis and lesional AD skin with 81% of AD dysregulated genes being shared with psoriasis. However, we described disease-specific molecular and cellular features, with AD skin showing dominance of IL-13 pathways, but with near undetectable IL-4 expression. We also demonstrated greater disease heterogeneity and larger proportion of dysregulated long noncoding RNAs in AD, and illustrated the translational impact, including skin-type classification and drug-target prediction. This study is by far the largest study comparing the AD and psoriasis transcriptomes using RNA sequencing and demonstrating the shared inflammatory components, as well as specific discordant cytokine signatures of these two skin diseases. Atopic dermatitis (AD) affects up to 20% of children and adults worldwide. To gain a deeper understanding of the pathophysiology of AD, we conducted a large-scale transcriptomic study of AD with deeply sequenced RNA-sequencing samples using long (126-bp) paired-end reads. In addition to the comparisons against previous transcriptomic studies, we conducted in-depth analysis to obtain a high-resolution view of the global architecture of the AD transcriptome and contrasted it with that of psoriasis from the same cohort. By using 147 RNA samples in total, we found striking correlation between dysregulated genes in lesional psoriasis and lesional AD skin with 81% of AD dysregulated genes being shared with psoriasis. However, we described disease-specific molecular and cellular features, with AD skin showing dominance of IL-13 pathways, but with near undetectable IL-4 expression. We also demonstrated greater disease heterogeneity and larger proportion of dysregulated long noncoding RNAs in AD, and illustrated the translational impact, including skin-type classification and drug-target prediction. This study is by far the largest study comparing the AD and psoriasis transcriptomes using RNA sequencing and demonstrating the shared inflammatory components, as well as specific discordant cytokine signatures of these two skin diseases.

Abstract Yield losses caused by fungal pathogens represent a major threat to global food production. One of the most devastating fungal wheat pathogens is Zymoseptoria tritici . Despite the importance of this fungus and wheat as main staple food crop the underlying mechanisms of plant-pathogen interactions are poorly understood. Here we present a conceptual framework based on coinfection assays, comparative metabolomics, and microbiome profiling to study the interaction of Z. tritici in susceptible and resistant wheat. We demonstrate that Z. tritici suppresses the production of immune-related metabolites in a susceptible cultivar. Remarkably, this fungus-induced immune suppression spreads within the leaf and even to other leaves, a previously undescribed phenomenon that we term “systemic induced susceptibility”. Using a comparative metabolomics approach, we identified defense-related biosynthetic pathways that are suppressed and induced in susceptible and resistant cultivars, respectively. We show that these fungus-induced changes also dramatically affect the wheat leaf microbiome. Our findings emphasize that immune suppression by this hemibiotrophic pathogen impacts specialized plant metabolism, alters its associated microbial communities, and renders wheat vulnerable to further infections.

Abstract Chronic inflammatory diseases (CID) are systems disorders affecting various organs including the intestine, joint and skin. The essential amino acid tryptophan (Trp) is not only used for protein synthesis but can also be catabolized to various bioactive derivatives that are important for cellular energy metabolism and immune regulation. Increased Trp catabolism via the kynurenine pathway is seen across individual CID entities 1–5 . Here, we assessed the levels of Trp and tryptophan derivatives across 13 CID to investigate the extent and nature of Trp wasting as a systems phenomenon in CID. We found reduced serum Trp levels across the majority of CID and a prevailing negative relationship between Trp and systemic inflammatory marker C-reactive protein (CRP). Increases in the kynurenine-to-Trp ratio (Kyn:Trp) indicate that the kynurenine pathway is a major route for CID-related Trp wasting. However, the extent of Trp depletion and its relationship with disease activity varies by disease, indicating potential differences in Trp metabolism. In addition, we find that amino acid catabolism in chronic inflammation is specific to tryptophan wasting, whereas other proteinogenic amino acids are not affected. Hence, our results suggest that increased Trp catabolism is a common metabolic occurrence in CID that may directly affect systemic immunity. Grant support This work was supported by the DFG Cluster of Excellence 1261 “Precision medicine in chronic inflammation” (KA, SSchr, PR, BH, SWa), the BMBF (e:Med Juniorverbund “Try-IBD” 01ZX1915A and 01ZX2215, the e:Med Network iTREAT 01ZX2202A, and GUIDE-IBD 031L0188A), DFG RU5042 (PR, KA), and Innovative Medicines Initiative 2 Joint Undertakings (“Taxonomy, Treatments, Targets and Remission”, No. 831434, “ImmUniverse”, grant agreement No. 853995, “BIOMAP”, grant agreement No. 821511).