Differences in cardiac and aortic structure and function are associated with cardiovascular diseases and a wide range of other types of disease. Here we analyzed cardiovascular magnetic resonance images from a population-based study, the UK Biobank, using an automated machine-learning-based analysis pipeline. We report a comprehensive range of structural and functional phenotypes for the heart and aorta across 26,893 participants, and explore how these phenotypes vary according to sex, age and major cardiovascular risk factors. We extended this analysis with a phenome-wide association study, in which we tested for correlations of a wide range of non-imaging phenotypes of the participants with imaging phenotypes. We further explored the associations of imaging phenotypes with early-life factors, mental health and cognitive function using both observational analysis and Mendelian randomization. Our study illustrates how population-based cardiac and aortic imaging phenotypes can be used to better define cardiovascular disease risks as well as heart–brain health interactions, highlighting new opportunities for studying disease mechanisms and developing image-based biomarkers. Using magnetic resonance images of the heart and aorta from 26,893 individuals in the UK Biobank, a phenome-wide association study associates cardiovascular imaging phenotypes with a wide range of demographic, lifestyle and clinical features.

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.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder with a poor prognosis. Deleterious variation within components of the transforming growth factor-β pathway, particularly the bone morphogenetic protein type 2 receptor (BMPR2), underlie most heritable forms of PAH. Since the missing heritability likely involves genetic variation confined to small numbers of cases, we performed whole genome sequencing in 1038 PAH index cases and 6385 PAH-negative control subjects. Case-control analyses revealed significant overrepresentation of rare variants in novel genes, namely ATP13A3, AQP1 and SOX17, and provided independent validation of a critical role for GDF2 in PAH. We provide evidence for familial segregation of mutations in SOX17 and AQP1 with PAH. Mutations in GDF2, encoding a BMPR2 ligand, led to reduced secretion from transfected cells. In addition, we identified pathogenic mutations in the majority of previously reported PAH genes, and provide evidence for further putative genes. Taken together these findings provide new insights into the molecular basis of PAH and indicate unexplored pathways for therapeutic intervention.

Abstract Bone morphogenic protein receptor 2 (BMPR2) expression and signaling are impaired in pulmonary arterial hypertension (PAH). How BMPR2 signaling is decreased in PAH is poorly understood. Protein tyrosine phosphatases (PTPs) play important roles in vascular remodeling in PAH. To identify whether PTPs modify BMPR2 signaling we used a siRNA-mediated high throughput screening of 22,124 murine genes in mouse myoblastoma reporter cells using ID1 expression as read-out for BMPR2 signaling. We further experimentally validated the top hit, PTPN1 (PTP1B), in human healthy pulmonary arterial endothelial cells (PAECs) either silenced by siRNA or exposed to hypoxia and confirmed its relevance to PAH by measuring PTPN1 levels in blood and PAECs collected from PAH patients. We identified PTPN1 as a novel regulator of BMPR2 signaling in PAECs, which is downregulated in the blood of PAH patients and documented that downregulation of PTPN1 is linked to endothelial dysfunction in PAECs. These findings point to a potential involvement for PTPN1 in PAH and will aid in our understanding of the molecular mechanisms involved in the disease.

Flow-activated transcription factor Krüppel-like factor 2 (KLF2) signaling is compromised in pulmonary arterial hypertension (PAH). We aimed to identify KLF2-induced endothelium-protective exosomal microRNAs of potential therapeutic significance. Eight exosomal microRNAs elevated by KLF2 but reduced in PAH were transfected into human pulmonary artery endothelial cells. Of these, only miR-181a-5p and miR-324-5p had anti-apoptotic, anti-inflammatory and anti-proliferative effect on endothelial cells and reduced proliferation of vascular smooth muscle cells in vitro. RNA sequencing of miRNA-transfected HPAECs revealed reduced expression of multiple genes implicated in vascular remodelling, including ETS-1, NOTCH4, ACTA2, TNF-α, IL-1, MMP10, MAPK and NFATC2. KLF2, miR-181a-5p and miR-324-5p were reduced, while their target genes were elevated in blood-derived endothelial colony forming cells and lung tissues from idiopathic and heritable PAH patients with disabling KLF2 mutation and Sugen/hypoxia mice. Supplementation of miR-181a-5p and miR-324-5p or silencing of their target genes attenuated proliferative and angiogenic responses in endothelial cells from idiopathic PAH and prevented development of pulmonary hypertension in Sugen/hypoxia mice. This study highlights potential therapeutic role of KLF2-induced exosomal microRNAs in PAH.