Summary Cohort-wide sequencing studies have revealed that the largest category of variants is those deemed ‘rare’, even for the subset located in coding regions (99% of known coding variants are seen in less than 1% of the population 1–3 ). Our understanding of how rare genetic variants influence disease and organism-level phenotypes has achieved limited progress, partly explained by the intrinsic difficulty in statistically evaluating the biological significance of rare events. Here we show that discoveries can instead be made through a knowledge-based approach using protein domains and ontologies (function and phenotype) that considers all coding variants regardless of allele frequency. We describe an ab initio , genetics-first method making molecular knowledge-based interpretations for exome-wide non-synonymous variants for phenotypes at the organism and cellular level. By using this reverse approach, we identify plausible novel genetic causes for developmental disorders that have eluded other established methods and present novel molecular hypotheses for the causal genetics of 40 phenotypes generated from a direct-to-consumer genotype cohort. This system offers a chance to extract further discovery from genetic data after standard tools have been applied.

Abstract Background Avascular necrosis (AVN) is a medical condition characterized by the destruction of bone tissue due to a diminished blood supply. When the rate of tissue destruction surpasses the rate of regeneration, effective treatment becomes challenging, leading to escalating pain, arthritis, and bone fragility as the disease advances. A timely diagnosis is imperative to prevent and initiate proactive treatment for osteonecrosis. We explored the potential of differentially expressed proteins in serum-derived extracellular vesicles (EVs) as biomarkers for AVN of the femoral head in humans. We analyzed the genetic material contained in serum-derived exosomes from patients for early diagnosis, treatment, and prognosis of avascular necrosis. Methods EVs were isolated from the serum of both patients with AVN and a control group of healthy individuals. Proteomic analyses were conducted to compare the expression patterns of these proteins by proteomic analysis using LC-MS/MS. Results Our results show that the levels of IGHV3-23, FN1, VWF, FGB, PRG4, FCGBP, and ZSWIM9 were upregulated in the EVs of patients with AVN compared with those of healthy controls. ELISA results showed that VWF and PRG4 were significantly upregulated in the patients with AVN. Conclusions These findings suggest that these EV proteins could serve as promising biomarkers for the early detection and diagnosis of AVN. Early diagnosis is paramount for effective treatment, and the identification of new osteonecrosis biomarkers is essential to facilitate swift diagnosis and proactive intervention. Our study provides novel insights into the identification of AVN-related biomarkers that can enhance clinical management and treatment outcomes.

As the production, usage, and disposal of plastics increase, the microplastics generated—plastic particles smaller than 5 mm—increases, exacerbating environmental pollution. In turn, various organisms become increasingly exposed to contaminated environments, potentially affecting humans through the food chain. Crucial findings from in vivo experiments indicate histopathological changes caused by microplastics impact the morphology and physiological function of organisms. This study describes the histopathological changes induced by microplastics across the circulatory, nervous, digestive, respiratory, and reproductive systems and explains associated functional alterations. Except in the nervous system, the main morphological changes involve degenerative changes throughout the body, such as apoptosis, inflammation, and fibrosis. Most changes were induced by inflammatory responses to microplastics, leading to fibrosis and subsequent functional impairments. Various studies confirm that microplastics stimulate cells, leading to increased reactive oxygen species production, inflammation, and cell death. Consequently, these morphological changes impair related systemic functions. This review highlights fundamental morphological changes in organs and cells due to microplastics and discusses the limitations involving systems showing no changes.

Autism spectrum disorder (ASD) affects up to 1 in 59 children, and is one of the most common neurodevelopmental disorders. Recent genomic studies have highlighted the role of rare variants in ASD. This study aimed to identify genes affected by rare variants shared by siblings with ASD and validate the function of a candidate gene FRRS1L. By integrating the whole genome sequencing data of 866 multiplex families from the Hartwell Foundation's Autism Research and Technology Initiative and Autism Speaks MSSNG project, we identified rare variants shared by two or more siblings with ASD. Using shared rare variants (SRVs), we selected candidate genes for ASD. Gene prioritization by evolutionary features and expression alterations on autism identified FRRS1L in two families, including one with impaired social behaviors. One variant in this family was 6 bp away from human-specific trinucleotide fixation. Additionally, CRISPR/Cas9 experiments demonstrated downregulation by a family variant and upregulation by a fixed site. Population genetics further demonstrated that upregulation of this gene has been favored during human evolution. Various mouse behavioral tests showed that Frrs1l knockout specifically impairs social novelty recognition without altering other behavioral phenotypes. Furthermore, we constructed humanized mice by introducing human sequences into a mouse genome. These knockin mice showed improved abilities to retain social memory over time. The results of our population genetic and evolutionary analyses, behavior experiments, and genome editing propose a molecular mechanism that may confer a selective advantage through social memory enhancement and may cause autism-related social impairment when disrupted in humans. These findings highlight the role of FRRS1L, the AMPA receptor subunit, in social behavior and evolution.

Thymomas are tumors originating from thymic epithelial cells and are uncommon in animals, including pets and domestic and laboratory animals. A 10-wk-old female ICR (CD-1) mouse in the control group of a toxicity study presented a thymic mass consisting of epithelial and lymphocytic components. Histopathological evaluation showed epithelioid neoplastic cells intermixed with small lymphocytes and areas of hemorrhage. Immunohistochemistry revealed positivity for proliferating cell nuclear antigen and pan-cytokeratin (AE1/AE3), and negativity for S100 and vimentin. Based on these features, the mass was diagnosed as a benign thymoma. To the best of our knowledge, this is the first report of a thymoma in a laboratory mouse at such a young age.

Major progress in disease genetics has been made through genome-wide association studies (GWASs). One of the key tasks for post-GWAS analyses is to identify causal noncoding variants with regulatory function. Here, on the basis of > 2,000 functional features, we developed a convolutional neural network framework for combinatorial, nonlinear modeling of complex patterns shared by risk variants scattered among multiple associated loci. When applied for major psychiatric disorders and autoimmune diseases, neural and immune features, respectively, exhibited high explanatory power while reflecting the pathophysiology of the relevant disease. The predicted causal variants were concentrated in active regulatory regions of relevant cell types and tended to be in physical contact with transcription factors while residing in evolutionarily conserved regions and resulting in expression changes of genes related to the given disease. We demonstrate some examples of novel candidate causal variants and associated genes. Our method is expected to contribute to the identification and functional interpretation of causal noncoding variants in post-GWAS analyses.

Coffee contains several bioactive compounds, such as alkaloids and phenolic compounds, which contribute to its flavor and are influenced by the brewing method. The differences in coffee compounds based on brewing conditions have been studied in previous research, but no studies have yet utilized orbitrap mass spectrometry for this purpose. This study compared non-volatile and aromatic compounds in hot and cold brew coffee using high-resolution orbitrap mass spectrometry, followed by multivariate statistical analysis including principal component analysis and volcano plotting. A total of 163 non-volatile compounds and 93 volatile compounds were identified and annotated, with 18 non-volatile and 13 aroma-active compounds indicating differences between the brewing methods. Notably, certain quinic acids, such as 4,5-dicaffeoylquinic acid, and coumarin derivatives were more abundant in hot brew coffee, indicating that non-volatile compounds are significantly affected by extraction temperature. However, the major non-volatile compounds, including chlorogenic acid and trigonelline, are not affected by brewing conditions. For volatile compounds, phenolic compounds and indole were sensitive to temperature, while pyrazine and furan compounds were more influenced by extraction time. Additionally, in our results, several previously unreported bioactive compounds were detected in coffee, suggesting a need for further research to understand their potential functions and benefits.