Abstract Genetic effects on gene expression and splicing can be modulated by cellular and environmental factors; yet interactions between genotypes, cell type and treatment have not been comprehensively studied together. We used an induced pluripotent stem cell system to study multiple cell types derived from the same individuals and exposed them to a large panel of treatments. Cellular responses involved different genes and pathways for gene expression and splicing processes, and were also highly variable across cell types and treatments. For thousands of genes, we identified variable allelic expression across contexts, and characterized different types of gene-environment interactions. Many of these G×E genes are associated with complex traits. We characterized promoter functional and evolutionary features that distinguish genes with elevated allelic imbalance mean and variance. More than 47% of the genes with dynamic regulatory interactions were missed by GTEx, but we identified them using a suitable allelic imbalance study design. This indicates the importance of exploring multiple treatments to reveal previously unrecognized regulatory loci that may be important for disease.

ABSTRACT The repertoire of tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) can be vast, and many of these TILs are not endowed with tumor reactivity. While a number of reports have shown that tumor-reactive TILs express CD39, few reports have demonstrated that conversely, CD39 can be leveraged to serve as a proxy of tumor-reactive CD8 T cells. Using single-cell CITE/RNA/TCRseq, we show that CD39 + CD8 T cells in human lung cancers demonstrate transcriptional and proteomic features of exhaustion, tumor reactivity, and clonal expansion. Moreover, TCR cloning revealed that CD39 enriched for tumor-reactive CD8 T cell clones. Flow cytometry of 440 lung cancer specimens revealed that CD39 level on CD8 T cells is only weakly correlated with tumoral features that currently guide lung cancer therapy, such as histology, driver mutation, PD-L1 and tumor mutation burden. PD-1 axis blockade, but not cytotoxic chemotherapy, increased intratumoral CD39 + CD8 T cells. CD39 correlated with PD-1 expression on CD8 T cells and high pre-treatment/early-on-treatment levels were associated with improved clinical outcomes, but not immune-related adverse events, from immune checkpoint blockade therapy. This comprehensive profiling of the clinical, pathological and molecular features highlights the utility of CD39 as a proxy for tumor-reactive CD8 T cells in human lung cancer.

Variation in gut microbiome is associated with wellness and disease in humans, yet the molecular mechanisms by which this variation affects the host are not well understood. A likely mechanism is through changing gene regulation in interfacing host epithelial cells. Here, we treated colonic epithelial cells with live microbiota from five healthy individuals and quantified induced changes in transcriptional regulation and chromatin accessibility in host cells. We identified over 5,000 host genes that change expression, including 588 distinct associations between specific taxa and host genes. The taxa with the strongest influence on gene expression alter the response of genes associated with complex traits. Further, using ATAC-seq, we show that these changes in gene expression are likely the result of changes in host chromatin accessibility induced by exposure to gut microbiota. We then created a manipulated microbial community with titrated doses of Collinsella, demonstrating that both natural and controlled microbiome composition leads to distinct, and predictable, gene expression profiles in the host. Together, our results suggest that specific microbes play an important role in regulating expression of individual host genes involved in human complex traits. Our work also supports the hypothesis that one of the mechanisms by which the microbiome regulates host gene expression is through changes in chromatin accessibility in host cells. Finally, the ability to fine tune the expression of host genes by manipulating the microbiome suggests future therapeutic routes for human wellness.

GWAS and eQTL studies identified thousands of genetic variants associated with complex traits and gene expression. Despite the important role of environmental exposures in complex traits, only a limited number of environmental factors are measured in these studies. Measuring molecular phenotypes in tightly controlled cellular environments provides a more tractable setting to study gene-environment interactions in the absence of other confounding variables. We performed RNA-seq and ATAC-seq in endothelial cells exposed to retinoic acid, dexamethasone, caffeine, and selenium to model genetic and environmental effects on gene regulation in the vascular endothelium, a common site of pathology in cardiovascular disease. We found that genes near regions of differentially accessible chromatin were more likely to be differentially expressed (OR = [3.41, 6.52], p < 10^-16). Furthermore, we confirmed that environment-specific changes in transcription factor binding are a key mechanism for cellular response to environmental stimuli. SNPs in these transcription response factor footprints for dexamethasone, caffeine, and retinoic acid were enriched in GTEx eQTLs from artery tissues indicating that these environmental conditions are latently present in GTEx samples. Additionally, SNPs in footprints for response factors in caffeine are enriched in colocalized eQTLs for coronary artery disease (CAD), suggesting a role for caffeine in CAD risk. Interestingly, each treatment may amplify or buffer genetic risk for CAD, depending on the particular SNP considered.

Many studies have demonstrated the importance of the gut microbiome in healthy and disease states. However, establishing the causality of host- microbiome interactions in humans is still challenging. Here, we describe a novel experimental system to define the transcriptional response induced by the microbiome in human cells and to shed light on the molecular mechanisms underlying host-gut microbiome interactions. In primary human colonic epithelial cells, we identified over 6,000 genes that change expression at various time points following co-culturing with the gut microbiome of a healthy individual. The differentially expressed genes are enriched for genes associated with several microbiome-related diseases, such as obesity and colorectal cancer. In addition, our experimental system allowed us to identify 87 host SNPs that show allele-specific expression in 69 genes. Furthermore, for 12 SNPs in 12 different genes, allele-specific expression is conditional on the exposure to the microbiome. Of these 12 genes, eight have been associated with diseases linked to the gut microbiome, specifically colorectal cancer, obesity and type 2 diabetes. Our study demonstrates a scalable approach to study host-gut microbiome interactions and can be used to identify putative mechanisms for the interplay between host genetics and microbiome in health and disease.

Abstract The gut microbiome exhibits extreme compositional variation between hominid hosts. However, it is unclear how this variation impacts host physiology, and whether this effect can be mediated through microbial regulation of host gene expression in interacting epithelial cells. Here, we characterized the transcriptional response of colonic epithelial cells in vitro to live microbial communities extracted from humans, chimpanzees, gorillas, and orangutans. We found most host genes exhibit a conserved response, whereby they respond similarly to the four hominid microbiomes, while some genes respond only to microbiomes from specific host species. Genes that exhibit such a divergent response are associated with relevant intestinal diseases in humans, such as inflammatory bowel disease and Crohn’s disease. Lastly, we found that inflammation-associated microbial species regulate the expression of host genes previously associated with inflammatory bowel disease, suggesting health-related consequences for species-specific host-microbiome interactions across hominids.