Summary Alternative splicing events are a major causal mechanism for complex traits, but they have been understudied due to the limitation of short-read sequencing. Here, we generated a comprehensive full-length isoform annotation of human immune cells, Immune Isoform Atlas, by long-read sequencing for 29 cell subsets. Our atlas contained a number of unannotated transcripts and isoforms such as a read-through transcript of TOMM40-APOE . We profiled functional characteristics of isoforms including encoded domains, inserted repetitive elements, and translational efficiency, and we showed that repetitive elements significantly explained the diversity of unannotated isoforms. Some of the isoforms are expressed in a cell-type specific manner, whose alternative 3’-UTRs usage contributed to their specificity. Further, we identified a number of disease-associated isoforms by isoform switch analysis and by integration of several quantitative trait loci analyses with genome-wide association study data. Our findings will promote the elucidation of the pathomechanism of diseases via alternative splicing.

Abstract Infection of the lungs with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) via the angiotensin I converting enzyme 2 (ACE2) receptor induces a type of systemic inflammation known as a cytokine storm. However, the precise mechanisms involved in severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) pneumonia are unknown. Here, we show that interleukin-10 (IL-10) changed normal alveolar macrophages into ACE2-expressing M2c-type macrophages that functioned as spreading vectors for SARS-CoV-2 infection. The depletion of alveolar macrophages and blockade of IL-10 attenuated SARS-CoV-2 pathogenicity. Furthermore, genome-wide association and quantitative trait locus analyses identified novel mRNA transcripts in human patients, COVID-19 infectivity enhancing dual receptor (CiDRE), which has unique synergistic effects within the IL-10-ACE2 system in M2c-type macrophages. Our results demonstrate that alveolar macrophages stimulated by IL-10 are key players in severe COVID-19. Collectively, CiDRE expression levels are potential risk factors that predict COVID-19 severity, and CiDRE inhibitors might be useful as COVID-19 therapies. Graphical abstract

Abstract Alternative splicing events are a major causal mechanism for complex traits, but they have been understudied due to the limitation of short-read sequencing. Here, we generate a full-length isoform annotation of human immune cells from an individual by long-read sequencing for 29 cell subsets. This contains a number of unannotated transcripts and isoforms such as a read-through transcript of TOMM40-APOE in the Alzheimer’s disease locus. We profile characteristics of isoforms and show that repetitive elements significantly explain the diversity of unannotated isoforms, providing insight into the human genome evolution. In addition, some of the isoforms are expressed in a cell-type specific manner, whose alternative 3’-UTRs usage contributes to their specificity. Further, we identify disease-associated isoforms by isoform switch analysis and by integration of several quantitative trait loci analyses with genome-wide association study data. Our findings will promote the elucidation of the mechanism of complex diseases via alternative splicing.

Abstract Splicing QTL (sQTL) are one of the major causal mechanisms in GWAS loci, but their role in disease pathogenesis is poorly understood. One reason is the huge complexity of alternative splicing events producing many unknown isoforms. Here, we proposed two novel approaches, namely integration and selection, for this complexity by focusing on protein-structure of isoforms. First, we integrated isoforms with the same coding sequence (CDS) and identified 369-601 integrated-isoform ratio QTLs (i 2 -rQTLs), which altered protein-structure, in six immune subsets. Second, we selected CDS incomplete isoforms annotated in GENCODE and identified 175-337 isoform-ratio QTL (i-rQTL). By comprehensive long-read capture RNA-seq among these incomplete isoforms, we revealed 29 full-length isoforms with novel CDSs associated with GWAS traits. Furthermore, we have shown that disease-causal sQTL genes can be identified by evaluating their trans-eQTL effects. Our approaches highlight the understudied role of protein-altering sQTLs and are broadly applicable to other tissues and diseases.