Abstract The genetic control of gene expression is a core component of human physiology. For the past several years, transcriptome-wide association studies have leveraged large datasets of linked genotype and RNA sequencing information to create a powerful gene-based test of association that has been used in dozens of studies. While numerous discoveries have been made, the populations in the training data are overwhelmingly of European descent, and little is known about the generalizability of these models to other populations. Here, we test for cross-population generalizability of gene expression prediction models using a dataset of African American individuals with RNA-Seq data in whole blood. We find that the default models trained in large datasets such as GTEx and DGN fare poorly in African Americans, with a notable reduction in prediction accuracy when compared to European Americans. We replicate these limitations in cross-population generalizability using the five populations in the GEUVADIS dataset. Via realistic simulations of both populations and gene expression, we show that accurate cross-population generalizability of transcriptome prediction only arises when eQTL architecture is substantially shared across populations. In contrast, models with non-identical eQTLs showed patterns similar to real-world data. Therefore, generating RNA-Seq data in diverse populations is a critical step towards multi-ethnic utility of gene expression prediction. Author summary Advances in RNA sequencing technology have reduced the cost of measuring gene expression at a genome-wide level. However, sequencing enough human RNA samples for adequately-powered disease association studies remains prohibitively costly. To this end, modern transcriptome-wide association analysis tools leverage existing paired genotype-expression datasets by creating models to predict gene expression using genotypes. These predictive models enable researchers to perform cost-effective association tests with gene expression in independently genotyped samples. However, most of these models use European reference data, and the extent to which gene expression prediction models work across populations is not fully resolved. We observe that these models predict gene expression worse than expected in a dataset of African-Americans when derived from European-descent individuals. Using simulations, we show that gene expression predictive model performance depends on both the amount of shared genotype predictors as well as the genetic relatedness between populations. Our findings suggest a need to carefully select reference populations for prediction and point to a pressing need for more genetically diverse genotype-expression datasets.

ABSTRACT We analyzed whole genome and RNA sequencing data from 2,733 African American and Hispanic/Latino children to explore ancestry- and heterozygosity-related differences in the genetic architecture of whole blood gene expression. We found that heritability of gene expression significantly increases with greater proportion of African genetic ancestry and decreases with higher levels of Indigenous American ancestry, consistent with a relationship between heterozygosity and genetic variance. Among heritable protein-coding genes, the prevalence of statistically significant ancestry-specific expression quantitative trait loci (anc-eQTLs) was 30% in African ancestry and 8% for Indigenous American ancestry segments. Most of the anc-eQTLs (89%) were driven by population differences in allele frequency, demonstrating the importance of measuring gene expression across multiple populations. Transcriptome-wide association analyses of multi-ancestry summary statistics for 28 traits identified 79% more gene-trait pairs using models trained in our admixed population than models trained in GTEx. Our study highlights the importance of large and ancestrally diverse genomic studies for enabling new discoveries of complex trait architecture and reducing disparities.

Albuterol is the drug most widely used as asthma treatment among African Americans despite having a lower bronchodilator drug response (BDR) than other populations. Although BDR is affected by gene and environmental factors, the influence of DNA methylation is unknown.This study aimed to identify epigenetic markers in whole blood associated with BDR, study their functional consequences by multi-omic integration, and assess their clinical applicability in admixed populations with a high asthma burden.We studied 414 children and young adults (8-21 years old) with asthma in a discovery and replication design. We performed an epigenome-wide association study on 221 African Americans and replicated the results on 193 Latinos. Functional consequences were assessed by integrating epigenomics with genomics, transcriptomics, and environmental exposure data. Machine learning was used to develop a panel of epigenetic markers to classify treatment response.We identified 5 differentially methylated regions and 2 CpGs genome-wide significantly associated with BDR in African Americans located in FGL2 (cg08241295, P = 6.8 × 10-9) and DNASE2 (cg15341340, P = 7.8 × 10-8), which were regulated by genetic variation and/or associated with gene expression of nearby genes (false discovery rate < 0.05). The CpG cg15341340 was replicated in Latinos (P = 3.5 × 10-3). Moreover, a panel of 70 CpGs showed good classification for those with response and nonresponse to albuterol therapy in African American and Latino children (area under the receiver operating characteristic curve for training, 0.99; for validation, 0.70-0.71). The DNA methylation model showed similar discrimination as clinical predictors (P > .05).We report novel associations of epigenetic markers with BDR in pediatric asthma and demonstrate for the first time the applicability of pharmacoepigenetics in precision medicine of respiratory diseases.

Abstract Background Short-acting B 2 -adrenergic receptor agonists (SABAs) are the most commonly prescribed asthma medications worldwide. Response to SABAs is measured as bronchodilator drug response (BDR), which varies among racial/ethnic groups in the U.S 1, 2 . However, the genetic variation that contributes to BDR is largely undefined in African Americans with asthma 3 Objective To identify genetic variants that may contribute to differences in BDR in African Americans with asthma. Methods We performed a genome-wide association study of BDR in 949 African American children with asthma, genotyped with the Axiom World Array 4 (Affymetrix, Santa Clara, CA) followed by imputation using 1000 Genomes phase 3 genotypes. We used linear regression models adjusting for age, sex, body mass index and genetic ancestry to test for an association between BDR and genotype at single nucleotide polymorphisms (SNPs). To increase power and distinguish between shared vs. population-specific associations with BDR in children with asthma, we performed a meta-analysis across 949 African Americans and 1,830 Latinos (Total=2,779). Lastly, we performed genome-wide admixture mapping to identify regions whereby local African or European ancestry is associated with BDR in African Americans. Two additional populations of 416 Latinos and 1,325 African Americans were used to replicate significant associations. Results We identified a population-specific association with an intergenic SNP on chromosome 9q21 that was significantly associated with BDR (rs73650726, p=7.69 × 10 −9 ). A trans-ethnic meta-analysis across African Americans and Latinos identified three additional SNPs within the intron of PRKG1 that were significantly associated with BDR (rs7903366, rs7070958, and rs7081864, p≤5 × 10 −8 ). Conclusions Our findings indicate that both population specific and shared genetic variation contributes to differences in BDR in minority children with asthma, and that the genetic underpinnings of BDR may differ between racial/ethnic groups. Key messages A GWAS for BDR in African American children with asthma identified an intergenic population specific variant at 9q21 to be associated with increased bronchodilator drug response (BDR). A meta-analysis of GWAS across African Americans and Latinos identified shared genetic variants at 10q21 in the intron of PRKG1 to be associated with differences in BDR. Further genetic studies need to be performed in diverse populations to identify the full set of genetic variants that contribute to BDR.

Background The epigenetic mechanisms of asthma remain largely understudied in African Americans and Hispanics/Latinos, two populations disproportionately affected by asthma. We aimed to identify markers, regions and processes with differential patterns of DNA methylation (DNAm) in whole blood by asthma status in ethnically diverse children and youth, and to assess their functional consequences. Methods DNAm levels were profiled with the Infinium MethylationEPIC or HumanMethylation450 BeadChip arrays among 1226 African Americans or Hispanics/Latinos and assessed for differential methylation per asthma status at the CpG and region (differentially methylated region (DMR)) level. Novel associations were validated in blood and/or nasal epithelium from ethnically diverse children and youth. The functional and biological implications of the markers identified were investigated by combining epigenomics with transcriptomics from study participants. Results 128 CpGs and 196 DMRs were differentially methylated after multiple testing corrections, including 92.3% and 92.8% novel associations, respectively. 41 CpGs were replicated in other Hispanics/Latinos, prioritising cg17647904 ( NCOR2 ) and cg16412914 ( AXIN1 ) as asthma DNAm markers. Significant DNAm markers were enriched in previous associations for asthma, fractional exhaled nitric oxide, bacterial infections, immune regulation or eosinophilia. Functional annotation highlighted epigenetically regulated gene networks involved in corticosteroid response, host defence and immune regulation. Several implicated genes are targets for approved or experimental drugs, including TNNC1 and NDUFA12 . Many differentially methylated loci previously associated with asthma were validated in our study. Conclusions We report novel whole-blood DNAm markers for asthma underlying key processes of the disease pathophysiology and confirm the transferability of previous asthma DNAm associations to ethnically diverse populations.

Statistical models in medical and population genetics typically assume that individuals assort randomly in a population. While this simplifies model complexity, it contradicts an increasing body of evidence of non-random mating in human populations. Specifically, it has been shown that assortative mating is significantly affected by genomic ancestry. In this work we examine the effects of ancestry-assortative mating on the linkage disequilibrium between local ancestry tracks of individuals in an admixed population. To accomplish this, we develop an extension to the Wright-Fisher model that allows for ancestry based assortative mating. We show that ancestry-assortment perturbs the distribution of local ancestry linkage disequilibrium (LAD) and the variance of ancestry in a population as a function of the number of generations since admixture. This assortment effect can induce errors in demographic inference of admixed populations when methods assume random mating. We derive closed form formulae for LAD under an assortative-mating model with and without migration. We observe that LAD depends on the correlation of global ancestry of couples in each generation, the migration rate of each of the ancestral populations, the initial proportions of ancestral populations, and the number of generations since admixture. We also present the first evidence of ancestry-assortment in African Americans and examine LAD in simulated and real admixed population data of African Americans. We find that demographic inference under the assumption of random mating significantly underestimates the number of generations since admixture, and that accounting for assortative mating using the patterns of LAD results in estimates that more closely agrees with the historical narrative.

Abstract Background Asthma, an inflammatory disorder of the airways, is the most common chronic disease of children worldwide. There are significant racial/ethnic disparities in asthma prevalence, morbidity and mortality among U.S. children. This trend is mirrored in obesity, which may share genetic and environmental risk factors with asthma. The majority of asthma biomedical research has been performed in populations of European decent. Objective We sought to identify genetic risk factors for asthma in African American children. We also assessed the generalizability of genetic variants associated with asthma in European and Asian populations to African American children. Methods Our study population consisted of 1227 (812 asthma cases, 415 controls) African American children with genome-wide single nucleotide polymorphism (SNP) data. Logistic regression was used to identify associations between SNP genotype and asthma status. Results We identified a novel variant in the PTCHD3 gene that is significantly associated with asthma (rs660498, p = 2.2 x10-7) independent of obesity status. Fewer than 5% of previously reported asthma genetic associations identified in European populations replicated in African Americans. Conclusions Our identification of novel variants associated with asthma in African American children, coupled with our inability to replicate the majority of findings reported in European Americans, underscores the necessity for including diverse populations in biomedical studies of asthma.

Telomere length (TL) is associated with numerous disease states and is affected by genetic and environmental factors. However, TL has been mostly studied in adult populations of European or Asian ancestry. These studies have identified 34 TL-associated genetic variants recently used as genetic proxies for TL. The generalizability of these associations to pediatric populations and racially diverse populations, specifically of African ancestry, remains unclear. Furthermore, six novel variants associated with TL in a population of European children have been identified but not validated. We measured TL from whole blood samples of 492 healthy African American youth (children and adolescents between 8 and 20 years old) and performed the first genome-wide association study of TL in this population. We were unable to replicate neither the 34 reported genetic associations found in adults nor the six genetic associations found in European children. However, we discovered a novel genome-wide significant association between TL and rs1483898 on chromosome 14. Our results underscore the importance of examining these genetic associations with TL in diverse pediatric populations such as African Americans.

Asthma is the most common chronic disease of children, with significant racial/ethnic differences in prevalence, morbidity, mortality and therapeutic response. Albuterol, a bronchodilator medication, is the first-line therapy for asthma treatment worldwide. We performed the largest whole genome sequencing (WGS) pharmacogenetics study to date using data from 1,441 minority children with asthma who had extremely high or low bronchodilator drug response (BDR). We identified population-specific and shared pharmacogenetic variants associated with BDR, including genome-wide significant (p < 3.53 x 10-7) and suggestive (p < 7.06 x 10-6) loci near genes previously associated with lung capacity (DNAH5), immunity (NFKB1 and PLCB1), and β-adrenergic signaling pathways (ADAMTS3 and COX18). Functional analyses centered on NFKB1 revealed potential regulatory function of our BDR-associated SNPs in bronchial smooth muscle cells. Specifically, these variants are in linkage disequilibrium with SNPs in a functionally active enhancer, and are also expression quantitative trait loci (eQTL) for a neighboring gene, SLC39A8. Given the lack of other asthma study populations with WGS data on minority children, replication of our rare variant associations is infeasible. We attempted to replicate our common variant findings in five independent studies with GWAS data. The age-specific associations previously found in asthma and asthma-related traits suggest that the over-representation of adults in our replication populations may have contributed to our lack of statistical replication, despite the functional relevance of the NFKB1 variants demonstrated by our functional assays. Our study expands the understanding of pharmacogenetic analyses in racially/ethnically diverse populations and advances the foundation for precision medicine in at-risk and understudied minority populations.