David Adams, Julia Newton-Bishop, Timothy Bishop, Nicholas Hayward and colleagues identify loss-of-function variants in POT1 in several families with early onset multiple primary melanoma. They further show that these variants disrupt telomere binding by POT1 and are associated with increased telomere length. Deleterious germline variants in CDKN2A account for around 40% of familial melanoma cases1, and rare variants in CDK4, BRCA2, BAP1 and the promoter of TERT have also been linked to the disease2,3,4,5. Here we set out to identify new high-penetrance susceptibility genes by sequencing 184 melanoma cases from 105 pedigrees recruited in the UK, The Netherlands and Australia that were negative for variants in known predisposition genes. We identified families where melanoma cosegregates with loss-of-function variants in the protection of telomeres 1 gene (POT1), with a proportion of family members presenting with an early age of onset and multiple primary tumors. We show that these variants either affect POT1 mRNA splicing or alter key residues in the highly conserved oligonucleotide/oligosaccharide-binding (OB) domains of POT1, disrupting protein-telomere binding and leading to increased telomere length. These findings suggest that POT1 variants predispose to melanoma formation via a direct effect on telomeres.

African genomics and skin color Skin color varies among human populations and is thought to be under selection, with light skin maximizing vitamin D production at higher latitudes and dark skin providing UV protection in equatorial zones. To identify the genes that give rise to the palette of human skin tones, Crawford et al. applied genome-wide analyses across diverse African populations (see the Perspective by Tang and Barsh). Genetic variants were identified with likely function in skin phenotypes. Comparison to model organisms verified a conserved function of MFSD12 in pigmentation. A global genetic panel was used to trace how alleles associated with skin color likely moved across the globe as humans migrated, both within and out of Africa. Science , this issue p. eaan8433 ; see also p. 867

Abstract Genome-wide association studies (GWASs) have identified thousands of genomic loci associated with complex diseases and traits, including cancer. The vast majority of common trait-associated variants identified via GWAS fall in non-coding regions of the genome, posing a challenge in elucidating the causal variants, genes, and mechanisms involved. Expression quantitative trait locus (eQTL) and other molecular QTL studies have been valuable resources in identifying candidate causal genes from GWAS loci through statistical colocalization methods. While QTL colocalization is becoming a standard analysis in post-GWAS investigation, an easy web tool for users to perform formal colocalization analyses with either user-provided or public GWAS and eQTL datasets has been lacking. Here, we present ezQTL, a web-based bioinformatic application to interactively visualize and analyze genetic association data such as GWAS and molecular QTLs under different linkage disequilibrium (LD) patterns (1000 Genomes Project, UK Biobank, or user-provided data). This application allows users to perform data quality control for variants matched between different datasets, LD visualization, and two-trait colocalization analyses using two state-of-the-art methodologies (eCAVIAR and HyPrColoc), including batch processing. ezQTL is a free and publicly available cross-platform web tool, which can be accessed online at https://analysistools.cancer.gov/ezqtl .

Genome-wide association studies (GWASs) have identified numerous lung cancer risk-associated loci. However, decoding molecular mechanisms of these associations is challenging since most of these genetic variants are non-protein-coding with unknown function. Here, we implemented massively parallel reporter assays (MPRAs) to simultaneously measure the allelic transcriptional activity of risk-associated variants. We tested 2,245 variants at 42 loci from 3 recent GWASs in East Asian and European populations in the context of two major lung cancer histological types and exposure to benzo(a)pyrene. This MPRA approach identified one or more variants (median 11 variants) with significant effects on transcriptional activity at 88% of GWAS loci. Multimodal integration of lung-specific epigenomic data demonstrated that 63% of the loci harbored multiple potentially functional variants in linkage disequilibrium. While 22% of the significant variants showed allelic effects in both A549 (adenocarcinoma) and H520 (squamous cell carcinoma) cell lines, a subset of the functional variants displayed a significant cell-type interaction. Transcription factor analyses nominated potential regulators of the functional variants, including those with cell-type-specific expression and those predicted to bind multiple potentially functional variants across the GWAS loci. Linking functional variants to target genes based on four complementary approaches identified candidate susceptibility genes, including those affecting lung cancer cell growth. CRISPR interference of the top functional variant at 20q13.33 validated variant-to-gene connections, including RTEL1, SOX18, and ARFRP1. Our data provide a comprehensive functional analysis of lung cancer GWAS loci and help elucidate the molecular basis of heterogeneity and polygenicity underlying lung cancer susceptibility.

Abstract The main factors that determine eye colour are the amount of melanin concentrated in iris melanocytes, as well as the shape and distribution of melanosomes. Eye colour is highly variable in populations with European ancestry, in which eye colour categories cover a continuum of low to high quantities of melanin accumulated in the iris. A few polymorphisms in the HERC2/OCA2 locus in chromosome 15 have the largest effect on eye colour in these populations, although there is evidence of other variants in the locus and across the genome also influencing eye colour. To improve our understanding of the genetic loci determining eye colour, we performed a meta-analysis of genome-wide association studies in a Canadian cohort of European ancestry (N= 5,641) and investigated putative causal variants. Our fine-mapping results indicate that there are several candidate causal signals in the HERC2/OCA2 region, whereas other significant loci in the genome likely harbour a single causal signal (TYR, TYRP1, IRF4, SLC24A4). Furthermore, a short subset of the associated eye colour regions was colocalized with the gene expression or methylation profiles of cultured melanocytes (HERC2, OCA2), and transcriptome-wide association studies highlighted the expression of two genes associated with eye colour: SLC24A4 and OCA2. Finally, genetic correlations of eye and hair colour from the same cohort suggest high pleiotropy at the genome level, but locus-level evidence hints at several differences in the genetic architecture of both traits. Overall, we provide a better picture of how polymorphisms modulate eye colour variation, particularly in the HERC2/OCA2 locus, which may be a consequence of specific molecular processes in the iris melanocytes. Author Summary Eye colour differences among humans are the result of different amounts of melanin produced, as well as due to differences in the shape and distribution of the organelles in charge of producing melanin. Eye colour is a highly heritable trait, where several genes across the genome are involved in the process, but we currently do not fully understand which are the causal variants and how they modulate eye colour variation. By performing genome-wide association studies of eye colour across Canadian individuals of European ancestry, we identify several candidate causal signals in and near the gene OCA2, and one candidate signal in other genes, such as TYR, TYRP1, IRF4 and SLC24A4. Furthermore, we provide insights about how significant loci may modulate eye colour variation by testing for shared signals with polymorphisms associated with the expression of genes and DNA methylation. Overall, we provide a better picture of the genetic architecture of eye colour and the molecular mechanisms contributing to its variation.

Abstract While expression quantitative trait loci (eQTL) have been powerful in identifying susceptibility genes from genome-wide association studies (GWAS) findings, most trait-associated loci are not explained by eQTL alone. Alternative QTLs including DNA methylation QTL (meQTL) are emerging, but cell-type-specific meQTL using cells of disease origin has been lacking. Here we established an meQTL dataset using primary melanocytes from 106 individuals and identified 1,497,502 significant cis -meQTLs. Multi-QTL colocalization using meQTL, eQTL, and mRNA splice-junction QTL from the same individuals together with imputed methylome-wide and transcriptome-wide association studies identified susceptibility genes at 63% of melanoma GWAS loci. Among three molecular QTLs, meQTLs were the single largest contributor. To compare melanocyte meQTLs with those from malignant melanomas, we performed meQTL analysis on skin cutaneous melanomas from The Cancer Genome Atlas (n = 444). A substantial proportion of meQTL probes (45.9%) in primary melanocytes are preserved in melanomas, while a smaller fraction of eQTL genes is preserved (12.7%). Integration of melanocyte multi-QTL and melanoma meQTL identified candidate susceptibility genes at 72% of melanoma GWAS loci. Beyond GWAS annotation, meQTL-eQTL colocalization in melanocytes suggested that 841 unique genes potentially share a causal variant with a nearby methylation probe in melanocytes. Finally, melanocyte trans -meQTL identified a hotspot for rs12203592, a cis -eQTL of a transcription factor, IRF4, with 131 candidate target CpGs. Motif enrichment and IRF4 ChIPseq analysis demonstrated that these target CpGs are enriched in IRF4 binding sites, suggesting an IRF4-mediated regulatory network. Our study highlights the utility of cell-type-specific meQTL.

Genome-wide association studies (GWAS) identified over fifty loci associated with lung cancer risk. However, the genetic mechanisms and target genes underlying these loci are largely unknown, as most risk-associated-variants might regulate gene expression in a context-specific manner. Here, we generated a barcode-shared transcriptome and chromatin accessibility map of 117,911 human lung cells from age/sex-matched ever- and never-smokers to profile context-specific gene regulation. Accessible chromatin peak detection identified cell-type-specific candidate cis-regulatory elements (cCREs) from each lung cell type. Colocalization of lung cancer candidate causal variants (CCVs) with these cCREs prioritized the variants for 68% of the GWAS loci, a subset of which was also supported by transcription factor abundance and footprinting. cCRE colocalization and single-cell based trait relevance score nominated epithelial and immune cells as the main cell groups contributing to lung cancer susceptibility. Notably, cCREs of rare proliferating epithelial cell types, such as AT2-proliferating (0.13%) and basal cells (1.8%), overlapped with CCVs, including those in TERT. A multi-level cCRE-gene linking system identified candidate susceptibility genes from 57% of lung cancer loci, including those not detected in tissue- or cell-line-based approaches. cCRE-gene linkage uncovered that adjacent genes expressed in different cell types are correlated with distinct subsets of coinherited CCVs, including JAML and MPZL3 at the 11q23.3 locus. Our data revealed the cell types and contexts where the lung cancer susceptibility genes are functional.

Abstract Oligodendrocytes are the myelinating cells within the central nervous system. Many oligodendrocyte genes have been associated with brain disorders. However, how transcription factors (TFs) cooperate for gene regulation in oligodendrocytes remains largely uncharacterized. To address this, we integrated scRNA-seq and scATAC-seq data to identify the cooperative TFs that co-regulate the target gene (TG) expression in oligodendrocytes. First, we identified co- binding TF pairs whose binding sites overlapped in oligodendrocyte-specific regulatory regions. Second, we trained a deep learning model to predict the expression level of each TG using the expression levels of co-binding TFs. Third, using the trained models, we computed the TF importance and TF-TF interaction scores for predicting TG expression by the Shapley interaction scores. We found that the co-binding TF pairs involving known important TF pairs for oligodendrocyte differentiation, such as SOX10-TCF12, SOX10-MYRF, and SOX10-OLIG2, exhibited significantly higher Shapley scores than others (t-test, p-value < 1e-4). Furthermore, we identified 153 oligodendrocyte-associated eQTLs that reside in oligodendrocyte-specific enhancers or promoters where their eGenes (TGs) are regulated by cooperative TFs, suggesting potential novel regulatory roles from genetic variants. We also experimentally validated some identified TF pairs such as SOX10-OLIG2 and SOX10-NKX2.2 by co-enrichment analysis, using ChIP-seq data from rat peripheral nerve.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified ~20 melanoma susceptibility loci. To identify susceptibility genes and variants simultaneously from multiple GWAS loci, we integrated massively-parallel reporter assays (MPRA) with cell type-specific epigenomic data as well as melanocyte-specific expression quantitative trait loci (eQTL) profiling. Starting from 16 melanoma loci, we selected 832 variants overlapping active regions of chromatin in cells of melanocytic lineage and identified 39 candidate functional variants displaying allelic transcriptional activity by MPRA. For four of these loci, we further identified four colocalizing melanocyte cis -eQTL genes ( CTSS , CASP8 , MX2 , and MAFF ) matching the allelic activity of MPRA functional variants. Among these, we further characterized the locus encompassing the HIV-1 restriction gene, MX2 , on chromosome band Chr21q22.3 and validated a functional variant, rs398206, among multiple high LD variants. rs398206 mediates allelic transcriptional activity via binding of the transcription factor, YY1. This allelic transcriptional regulation is consistent with a significant cis -eQTL of MX2 in primary human melanocytes, where the melanoma risk-associated A allele of rs398206 is correlated with higher MX2 levels. Melanocyte-specific transgenic expression of human MX2 in a zebrafish model demonstrated accelerated melanoma formation in a BRAF V600E background. Thus, using an efficient scalable approach to streamline GWAS follow-up functional studies, we identified multiple candidate melanoma susceptibility genes and variants, and uncovered a pleiotropic function of MX2 in melanoma susceptibility.

Most expression quantitative trait loci (eQTL) studies to date have been performed in heterogeneous tissues as opposed to specific cell types. To better understand the cell-type specific regulatory landscape of human melanocytes, which give rise to melanoma but account for <5% of typical human skin biopsies, we performed an eQTL analysis in primary melanocyte cultures from 106 newborn males. We identified 597,335 cis-eQTL SNPs prior to LD-pruning and 4,997 eGenes (FDR<0.05), which are higher numbers than in any GTEx tissue type with a similar sample size. Melanocyte eQTLs differed considerably from those identified in the 44 GTEx tissues, including skin. Over a third of melanocyte eGenes, including key genes in melanin synthesis pathways, were not observed to be eGenes in two types of GTEx skin tissues or TCGA melanoma samples. The melanocyte dataset also identified cell-type specific trans-eQTLs with a pigmentation-associated SNP for four genes, likely through its cis-regulation of IRF4, encoding a transcription factor implicated in human pigmentation phenotypes. Melanocyte eQTLs are enriched in cis-regulatory signatures found in melanocytes as well as melanoma-associated variants identified through genome-wide association studies (GWAS). Co-localization of melanoma GWAS variants and eQTLs from melanocyte and skin eQTL datasets identified candidate melanoma susceptibility genes for six known GWAS loci including unique genes identified by the melanocyte dataset. Further, a transcriptome-wide association study using published melanoma GWAS data uncovered four new loci, where imputed expression levels of five genes (ZFP90, HEBP1, MSC, CBWD1, and RP11-383H13.1) were associated with melanoma at genome-wide significant P-values. Our data highlight the utility of lineage-specific eQTL resources for annotating GWAS findings and present a robust database for genomic research of melanoma risk and melanocyte biology.