Robust inference of causal relationships between gene expression and complex traits using Mendelian Randomization (MR) approaches is confounded by pleiotropy and linkage disequilibrium (LD) between gene expression quantitative loci (eQTLs). Here we propose a new MR method, MR-link, that accounts for unobserved pleiotropy and LD by leveraging information from individual-level data. In simulations, MR-link shows false positive rates close to expectation (median 0.05) and high power (up to 0.89), outperforming all other MR methods we tested, even when only one eQTL variant is present. Application of MR-link to low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C) measurements in 12,449 individuals and eQTLs summary statistics from whole blood and liver identified 19 genes causally linked to LDL-C. These include the previously functionally validated SORT1 gene, and the PVRL2 gene, located in the APOE locus, for which a causal role in liver was yet unknown. Our results showcase the strength of MR-link for transcriptome-wide causal inferences.

High apoB-containing low-density lipoproteins (LDL) and low apoA1-containing high-density lipoproteins (HDL) are associated with atherosclerosis. In search of a molecular regulator that could simultaneously and reciprocally control both LDL and HDL levels, we screened a microRNA (miR) library using human hepatoma Huh-7 cells. We identified miR-541-3p that both decreases apoB and increases apoA1 expression by inducing mRNA degradation of two different transcription factors, Znf101 and Casz1. Znf101 enhances apoB expression while Casz1 represses apoA1 expression. The hepatic knockdown of orthologous Zfp961 and Casz1 genes in mice altered plasma lipoproteins and reduced atherosclerosis without causing hepatic lipid accumulation, most likely by lowering hepatic triglyceride production, increasing HDL cholesterol efflux capacity, and reducing lipogenesis. Notably, human genetic variants in the MIR541, ZNF101, and CASZ1 loci are significantly associated with plasma lipids and lipoprotein levels. This study identifies miR-541-3p and Znf101/Casz1 as potential therapeutic agent and targets, respectively, to reduce plasma lipoproteins and atherosclerosis without causing liver steatosis.

Plasma lipids are mainly carried in apolipoprotein B (apoB) containing lipoproteins. High levels of these lipoproteins are associated with several metabolic diseases and lowering their plasma levels is associated with reduced incidence of atherosclerotic cardiovascular disease. MicroRNAs (miRs) are small non-coding RNAs that reduce protein expression of their target genes and are potential therapeutic agents. Here, we identified a novel miR-615-3p that interacts with human 3′-UTR of apoB mRNA, induces post-transcriptional mRNA degradation, and reduces cellular and secreted apoB100 in human hepatoma Huh-7 cells. Reducing cellular miR-615-3p levels by CRISPR-sgRNA increased cellular and secreted apoB100 indicating endogenous miR regulates apoB expression. Furthermore, we found that obese subjects have lower levels of miR-615-3p than healthy individuals. Moreover, there was a significant negative correlation between miR-615-3p and plasma lipids and apoB levels. These studies indicate that miR-615-3p negatively regulates apoB and its plasma levels could serve as a biomarker for obesity and possibly other metabolic diseases.

Plasma lipids are mainly carried in apolipoprotein B (apoB) containing lipoproteins. High levels of these lipoproteins are associated with several metabolic diseases and lowering their plasma levels are associated with reduced incidence of atherosclerotic cardiovascular disease. MicroRNAs (miRs) are small non-coding RNAs that reduce protein expression of their target mRNAs and are potential therapeutic agents. Here, we identified a novel miR-615-3p that interacts with human 3'-UTR of apoB mRNA, induces post-transcriptional mRNA degradation, and reduces cellular and secreted apoB100 in human hepatoma Huh-7 cells. Reducing cellular miR-615-3p levels by CRISPR-sgRNA increased cellular and secreted apoB100 indicating endogenous miR regulates apoB expression. Overexpression of miR-615-3p along with or without palmitic acid treatment decreased cellular and media apoB and increased cellular triglyceride levels without inducing endoplasmic reticulum stress. These studies have identified miR-615-3p as a negative regulator of apoB expression in human liver derived cells. It is likely that there are more miRs that regulate apoB-containing lipoprotein assembly and secretion. Discovery of additional miRs may uncover novel mechanisms that control lipoprotein assembly and secretion.

Abstract Background Familial Hypercholesterolaemia (FH) is an inherited disease of high LDL-cholesterol (LDL-C) caused by defects in LDLR, APOB, APOE and PCSK9 genes. A pathogenic variant cannot be found in ∼60% of clinical FH patients. Using whole genome sequencing (WGS) we examined genetic determinants of FH. Methods WGS data generated by the 100,000 Genomes Project (100KGP) included 536 FH patients diagnosed using the FH Simon Broome criteria. Rare variants in known FH genes were analysed. Genome-wide association study (GWAS) between 443 FH variant-negative unrelated FH cases and 77,275 control participants of the 100KGP was run using high coverage WGS data. Polygenic risk scores for LDL-C (LDL PRS) and lipoprotein(a) (Lp(a) PRS) were computed. Results An FH-causing variant was found in 17.4% of FH cases. GWAS identified the LPA gene locus being significantly associated (p<1x10-8). FH variant-negative participants had higher LDL and Lp(a) PRSs in comparison to the controls (p<1.0×10-16 and p<4.09×10-6, respectively). Similar associations were found in the monogenic FH with both LDL and Lp(a) PRSs being higher than in controls (p<4.03×10-4 and p<3.01x10-3, respectively). High LDL PRS was observed in 36.4% of FH variant-negative cases, whereas high Lp(a) PRS in 18.5%, with 7.0% having both high LDL and Lp(a) PRSs. Conclusions This genome-wide analysis of monogenic and polygenic FH causes confirms a complex and heterogenous architecture of hypercholesterolaemia, with the LPA gene playing a significant role. Both Lp(a) and LDL-C should be measured for precision FH diagnosis. Specific therapies to lower Lp(a) should be targeted to those who will benefit most.