To uncover genetic basis of autosomal recessive retinitis pigmentosa (ARRP), we applied 2-step genome-wide association study (GWAS) in 640 Japanese patients prescreened with targeted re-sequencing. Meta-GWAS identified three independent peaks at P < 5.0x10-8, all within the major ARRP gene EYS . Two were each tagged by a low frequency variant (allele frequency < 0.05); a known founder Mendelian mutation (c.4957dupA, p.S1653Kfs*2) and a presumably hypomorphic non-synonymous variant (c.2528G>A, p.G843E). c.2528G>A newly solved 7.0% of Japanese ARRP cases, improving genetic diagnosis by 26.8% and simultaneously serving as a new attractive target for genome editing gene therapy. The third peak was tagged by an intronic common variant, representing a novel disease-susceptibility signal. GWAS successfully unraveled genetic causes of a rare "monogenic" disorder for the first time, which provided unexpected insights into significant contribution of non-Mendelian genetic factors and identified a novel high frequency variant directly linked to development of local genome therapeutics.

Hereditary retinal degenerations (HRDs) are Mendelian diseases characterized by progressive blindness and caused by ultra-rare mutations. In a genomic screen of 331 unrelated Japanese patients, we identify a disruptive Alu insertion and a nonsense variant (p.Arg1933*) in the ciliary gene RP1 , neither of which are rare alleles in Japan. p.Arg1933* is almost polymorphic (frequency = 0.6%, amongst 12,000 individuals), does not cause disease in homozygosis or heterozygosis, and yet is significantly enriched in HRD patients (frequency = 2.1%, i.e. a 3.5-fold enrichment; p-value = 9.2×10−5). Familial co-segregation and association analyses show that p.Arg1933* can act as a Mendelian mutation, in trans with the Alu insertion, but might also cause disease in association with two alleles in the EYS gene in a non-Mendelian pattern of heredity. Our results suggest that rare conditions such as HRDs can be paradoxically determined by relatively common variants, following a quasi-Mendelian model linking monogenic and complex inheritance.

Metastasis is a major cause of cancer-related mortality, and it is essential to understand how metastasis occurs in order to overcome it. One relevant question is the origin of a metastatic tumor cell population. Although the hypothesis of a single-cell origin for metastasis from a primary tumor has long been prevalent, several recent studies using mouse models have supported a multi-cellular origin of metastasis. Human bulk whole-exome sequencing (WES) studies also have demonstrated a multiple ‘clonal’ origin of metastasis, with different mutational compositions. Specifically, there has not yet been strong research to determine how many founder cells colonize a metastatic tumor. To address this question, we developed a method to quantify the ‘founder cell population size’ in a metastasis using paired WES data from primary and metachronous metastatic tumors. Simulation studies demonstrated the proposed method gives unbiased results with sufficient accuracy in the range of realistic settings. Applying the proposed method to real WES data from four colorectal cancer patients, all samples supported a multi-cellular origin of metastasis and the founder size was quantified, ranging from 3 to 15 cells. Such a wide-ranging founder sizes estimated by the proposed method suggests that there are large variations in genetic similarity between primary and metastatic tumors in the same subjects, which might be involved in (dis)similarity of drug responses between tumors.Novelty and impact Applying our proposed method to the exome sequence data from four colorectal cancer patients, we showed the ‘multi-cellular origin’, not the classical ‘single-cell origin’, of metastasis is correct, with founder sizes quantified in the range of 3 to 15 cells. These wide-ranging founder sizes suggest large variation in genetic similarity between both tumors, which may affect the (dis)similarity of drug response in primary and metastatic tumors.* WES : whole-exome sequencing CRC : colorectal cancer VAF : variant allele frequency IQR : interquartile range

Digital clubbing is characterized by bulbous enlargement of the terminal segments of the fingers. Hypotheses including hypoxia have been proposed for the pathogenesis of digital clubbing, but the exact pathogenesis of digital clubbing is still uncertain. Lysinuric protein intolerance (LPI) is caused by pathogenic variants in SLC7A7 and is often associated with interstitial lung disease. Previously two patients of LPI with digital clubbing but without hypoxia have been reported. It is unclear whether digital clubbing in LPI is secondary to hypoxia or directly related to SLC7A7 deficiency. Here we report a 6-year-old Japanese boy presented with digital clubbing without hypoxia. He had episodic vomiting, each episode consisting of a single vomiting event occurring once a month, and his growth had been delayed. He had interstitial lung disease and hepatomegaly. He had compound heterozygous pathogenic variants in the SLC7A7, leading to the diagnosis of LPI. Together with the two previously reported patients mentioned above, we conclude that digital clubbing can occur in the absence of hypoxia. Digital clubbing in the absence of hypoxia has been observed in two genetic disorders related to prostaglandin (PG) E2, HPGD and SLCO2A1. PGE2 synthesis is primarily regulated by the cyclooxygenase 2, which plays a critical role in the control of inflammation. A high urine PGE level in the patient was compatible with the notion that PGE2 production may be increased in LPI. The occurrence of digital clubbing in the absence of hypoxia in LPI patients with SLC7A7 may be attributed to the mechanism of increased PGE2 production.

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.