Abstract Background Group 1 pulmonary arterial hypertension (PAH) is a lethal vasculopathy characterized by pathogenic remodeling of pulmonary arterioles leading to increased pulmonary pressures, right ventricular hypertrophy and heart failure. Recent high-throughput sequencing studies have identified additional PAH risk genes and suggested differences in genetic causes by age of onset. However, known risk genes explain only 15-20% of non-familial idiopathic PAH cases. Methods To identify new risk genes, we utilized an international consortium of 4,241 PAH cases with 4,175 sequenced exomes (n=2,572 National Biological Sample and Data Repository for PAH; n=469 Columbia University Irving Medical Center, enriched for pediatric trios) and 1,134 sequenced genomes (UK NIHR Bioresource – Rare Diseases Study). Most of the cases were adult-onset disease (93%), and 55% idiopathic (IPAH) and 35% associated with other diseases (APAH). We identified protein-coding variants and performed rare variant association analyses in unrelated participants of European ancestry, including 2,789 cases and 18,819 controls (11,101 unaffected parents from the Simons Powering Autism Research for Knowledge study and 7,718 gnomAD individuals). We analyzed de novo variants in 124 pediatric trios. Results Seven genes with rare deleterious variants were significantly associated (false discovery rate <0.1) with IPAH, including three known genes ( BMPR2 , GDF2 , and TBX4 ), two recently identified candidate genes ( SOX17 , KDR ), and two new candidate genes ( FBLN2 , fibulin 2; PDGFD , platelet-derived growth factor D). The candidate genes exhibit expression patterns in lung and heart similar to that of known PAH risk genes, and most of the variants occur in conserved protein domains. Variants in known PAH gene, ACVRL1 , showed association with APAH. Predicted deleterious de novo variants in pediatric cases exhibited a significant burden compared to the background mutation rate (2.5x, p=7.0E-6). At least eight novel candidate genes carrying de novo variants have plausible roles in lung/heart development. Conclusions Rare variant analysis of a large international consortium identifies two new candidate genes - FBLN2 and PDGFD . The new genes have known functions in vasculogenesis and remodeling but have not been previously implicated in PAH. Trio analysis predicts that ~15% of pediatric IPAH may be explained by de novo variants.

Abstract Pulmonary arterial hypertension (PAH) remains an incurable and often fatal disease despite currently available therapies. Multiomics systems biology analysis can shed new light on PAH pathobiology and inform translational research efforts. Using RNA sequencing on the largest PAH lung biobank to date (96 disease and 52 control), we aim to identify gene co-expression network modules associated with PAH and potential therapeutic targets. Co-expression network analysis was performed to identify modules of co-expressed genes which were then assessed for and prioritized by importance in PAH, regulatory role, and therapeutic potential via integration with clinicopathologic data, human genome-wide association studies (GWAS) of PAH, lung Bayesian regulatory networks, single-cell RNA-sequencing data, and pharmacotranscriptomic profiles. We identified a co-expression module of 266 genes, called the pink module, which may be a response to the underlying disease process to counteract disease progression in PAH. This module was associated not only with PAH severity such as increased PVR and intimal thickness, but also with compensated PAH such as lower number of hospitalizations, WHO functional class and NT-proBNP. GWAS integration demonstrated the pink module is enriched for PAH-associated genetic variation in multiple cohorts. Regulatory network analysis revealed that BMPR2 regulates the main target of FDA-approved riociguat, GUCY1A2, in the pink module. Analysis of pathway enrichment and pink hub genes (i.e. ANTXR1 and SFRP4) suggests the pink module inhibits Wnt signaling and epithelial-mesenchymal transition. Cell type deconvolution showed the pink module correlates with higher vascular cell fractions (i.e. myofibroblasts). A pharmacotranscriptomic screen discovered ubiquitin-specific peptidases (USPs) as potential therapeutic targets to mimic the pink module signature. Our multiomics integrative study uncovered a novel gene subnetwork associated with clinicopathologic severity, genetic risk, specific vascular cell types, and new therapeutic targets in PAH. Future studies are warranted to investigate the role and therapeutic potential of the pink module and targeting USPs in PAH.

Group 1 pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disease with high mortality despite recent therapeutic advances. Pathogenic remodeling of pulmonary arterioles leads to increased pulmonary pressures, right ventricular hypertrophy and heart failure. Mutations in bone morphogenetic protein receptor type 2 and other risk genes predispose to disease, but the vast majority of non-familial cases remain genetically undefined. To identify new risk genes, we performed exome sequencing in a large cohort from the National Biological Sample and Data Repository for PAH. By statistical association of rare deleterious variants, we found tissue kallikrein 1 and gamma glutamyl carboxylase as new candidate risk genes for idiopathic PAH associated with a later age-of-onset and relatively moderate disease phenotype compared to bone morphogenetic receptor type 2. Both genes play important roles in vascular hemodynamics and inflammation but have not been implicated in PAH previously. These data suggest new genes, pathogenic mechanisms and therapeutic targets for this lethal vasculopathy.

Background To date, approximately 25% of patients with pulmonary arterial hypertension (PAH) have been found to harbour rare mutations in disease-causing genes. Given the small number of patients affected by mutations in most PAH genes, the identification of the missing heritability in PAH is challenging. We hypothesised that integrating deep phenotyping data with whole-genome sequencing data will reveal additional disease variants that are extremely rare and/or have a unique phenotypic signature.Methods We analysed whole-genome sequencing data from 13,037 participants enrolled in the NIHR BioResource - Rare Diseases (NIHRBR-RD) study, of which 1148 were recruited to the PAH domain. To test for genetic associations between genes and selected phenotypes of pulmonary hypertension (PH), we used the Bayesian rare-variant association method BeviMed. We defined the groups for comparison by assigning labels (‘tags’) inferred from the current diagnostic classification of PAH, stratification by age at diagnosis and transfer coefficient of carbon monoxide (KCO).Results Protein truncating variants (PTV) in KDR were strongly associated with the lower KCO tertile (posterior probability (PP)=0.989) and the higher age tertile (PP=0.912) groups. On computed tomographic imaging of the lungs, a range of parenchymal abnormalities were observed in the patients harbouring PTV in KDR . KCO stratification also highlighted an association between Isocitrate Dehydrogenase (NAD(+)) 3 Non-Catalytic Subunit Gamma ( IDH3G ) and moderately reduced KCO in patients with pulmonary hypertension (PP=0.920). The US PAH Biobank was used to independently validate these findings and identified four additional PAH cases with PTV in KDR and two in IDH3G . We confirmed associations between previously established genes and PAH.Conclusions PTVs in KDR , the gene encoding vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR2), are significantly associated with two specific phenotypes of PAH, reduced KCO and later age of onset, highlighting a role for VEGF signalling in the pathogenesis of human PAH. We also report IDH3G as a new PAH risk gene. Moreover, we demonstrate that the use of deep clinical phenotyping data advances the identification of novel causative rare variants.

Background: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder leading to premature death. Rare genetic variants contribute to disease etiology but the contribution of common genetic variation to disease risk and outcome remains poorly characterized. Methods: We performed two separate genome-wide association studies of PAH using data across 11,744 European-ancestry individuals (including 2,085 patients), one with genotypes from 5,895 whole genome sequences and another with genotyping array data from 5,849 further samples. Cross-validation of loci reaching genome-wide significance was sought by meta-analysis. We functionally annotated associated variants and tested associations with duration of survival. Findings: A locus at HLA-DPA1/DPB1 within the class II major histocompatibility (MHC) region and a second near SOX17 were significantly associated with PAH. The SOX17 locus contained two independent signals associated with PAH. Functional and epigenomic data indicate that the risk variants near SOX17 alter gene regulation via an enhancer active in endothelial cells. PAH risk variants determined haplotype-specific enhancer activity and CRISPR-inhibition of the enhancer reduced SOX17 expression. Analysis of median survival showed that PAH patients with two copies of the HLA-DPA1/DPB1 risk variant had a two-fold difference (>16 years versus 8 years), compared to patients homozygous for the alternative allele. Interpretation: We have found that common genetic variation at loci in HLA-DPA1/DPB1 and an enhancer near SOX17 are associated with PAH. Impairment of Sox17 function may be more common in PAH than suggested by rare mutations in SOX17. Allelic variation at HLA-DPB1 stratifies PAH patients for survival following diagnosis, with implications for future therapeutic trial design. Funding: UK NIHR, BHF, UK MRC, Dinosaur Trust, NIH/NHLBI, ERS, EMBO, Wellcome Trust, EU, AHA, ACClinPharm, Netherlands CVRI, Dutch Heart Foundation, Dutch Federation of UMC, Netherlands OHRD and RNAS, German DFG, German BMBF, APH Paris, Inserm, Universite Paris-Sud, and French ANR.

BACKGROUND: Integrative multiomics can elucidate pulmonary arterial hypertension (PAH) pathobiology, but procuring human PAH lung samples is rare. METHODS: We leveraged transcriptomic profiling and deep phenotyping of the largest multicenter PAH lung biobank to date (96 disease and 52 control) by integration with clinicopathologic data, genome-wide association studies, Bayesian regulatory networks, single-cell transcriptomics, and pharmacotranscriptomics. RESULTS: We identified 2 potentially protective gene network modules associated with vascular cells, and we validated ASPN , coding for asporin, as a key hub gene that is upregulated as a compensatory response to counteract PAH. We found that asporin is upregulated in lungs and plasma of multiple independent PAH cohorts and correlates with reduced PAH severity. We show that asporin inhibits proliferation and transforming growth factor–β/phosphorylated SMAD2/3 signaling in pulmonary artery smooth muscle cells from PAH lungs. We demonstrate in Sugen-hypoxia rats that ASPN knockdown exacerbated PAH and recombinant asporin attenuated PAH. CONCLUSIONS: Our integrative systems biology approach to dissect the PAH lung transcriptome uncovered asporin as a novel protective target with therapeutic potential in PAH.

Background: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder leading to premature death. Rare genetic variants contribute to disease etiology but the contribution of common genetic variation to disease risk and outcome remains poorly characterized. Methods: We performed two separate genome-wide association studies of PAH using data across 11,744 European-ancestry individuals (including 2,085 patients), one with genotypes from 5,895 whole genome sequences and another with genotyping array data from 5,849 further samples. Cross-validation of loci reaching genome-wide significance was sought by meta-analysis. We functionally annotated associated variants and tested associations with duration of survival. Findings: A locus at HLA-DPA1/DPB1 within the class II major histocompatibility (MHC) region and a second near SOX17 were significantly associated with PAH. The SOX17 locus contained two independent signals associated with PAH. Functional and epigenomic data indicate that the risk variants near SOX17 alter gene regulation via an enhancer active in endothelial cells. PAH risk variants determined haplotype-specific enhancer activity and CRISPR-inhibition of the enhancer reduced SOX17 expression. Analysis of median survival showed that PAH patients with two copies of the HLA-DPA1/DPB1 risk variant had a two-fold difference (>16 years versus 8 years), compared to patients homozygous for the alternative allele. Interpretation: We have found that common genetic variation at loci in HLA-DPA1/DPB1 and an enhancer near SOX17 are associated with PAH. Impairment of Sox17 function may be more common in PAH than suggested by rare mutations in SOX17. Allelic variation at HLA-DPB1 stratifies PAH patients for survival following diagnosis, with implications for future therapeutic trial design. Funding: UK NIHR, BHF, UK MRC, Dinosaur Trust, NIH/NHLBI, ERS, EMBO, Wellcome Trust, EU, AHA, ACClinPharm, Netherlands CVRI, Dutch Heart Foundation, Dutch Federation of UMC, Netherlands OHRD and RNAS, German DFG, German BMBF, APH Paris, Inserm, Universite Paris-Sud, and French ANR.