Abstract GPR37L1 is an orphan receptor that couples through heterotrimeric G-proteins to regulate physiological functions. Since its role in humans is not fully defined, we used an unbiased computational approach to assess the clinical significance of rare GPR37L1 genetic variants found among 51,289 whole exome sequences from the DiscovEHR cohort. Briefly, rare GPR37L1 coding variants were binned according to predicted pathogenicity, and analyzed by Sequence Kernel Association testing to reveal significant associations with disease diagnostic codes for epilepsy and migraine, among others. Since associations do not prove causality, rare GPR37L1 variants were then functionally analyzed in SK-N-MC cells to evaluate potential signaling differences and pathogenicity. Notably, receptor variants exhibited varying abilities to reduce cAMP levels, activate MAPK signaling, and/or upregulate receptor expression in response to the agonist prosaptide (TX14(A)), as compared to the wild-type receptor. In addition to signaling changes, knockout of GPR37L1 or expression of certain rare variants altered cellular cholesterol levels, which were also acutely regulated by administration of the agonist TX14(A) via activation of the MAPK pathway. Finally, to simulate the impact of rare nonsense variants found in the large patient cohort, a knockout (KO) mouse line lacking Gpr37L1 was generated, revealing loss of this receptor produced sex-specific changes implicated in migraine-related disorders. Collectively, these observations define the existence of rare GPR37L1 variants in the human population that are associated with neuropsychiatric conditions and identify the underlying signaling changes that are implicated in the in vivo actions of this receptor in pathological processes leading to anxiety and migraine. SIGNIFICANCE STATEMENT G-protein coupled receptors (GPCRs) represent a diverse group of membrane receptors that contribute to a wide range of diseases and serve as effective drug targets. However, a number of these receptors have no identified ligands or functions, i.e., orphan receptors. Over the past decade, advances have been made, but there is a need for identifying new strategies to reveal their roles in health and disease. Our results highlight the utility of rare variant analyses of orphan receptors for identifying human disease associations, coupled with functional analyses in relevant cellular and animal systems, to ultimately reveal their roles as novel drug targets for treatment of neurological disorders that lack wide-spread efficacy.

Rationale: The calcium-sensing receptor (CaSR) regulates serum calcium concentrations and common single nucleotide polymorphisms (SNPs) in a carboxyl terminal tri-locus haplotype block contribute to serum calcium variance in the general population. Altered serum calcium concentrations are associated with coronary artery disease (CAD), but direct role for CaSR in CAD remains to be determined. Methods: We evaluated the associations of serum calcium and common CASR SNPs or the tri-locus haplotype block with major diseases including CAD in 51,289 patients from the DiscovEHR cohort derived from a single US health care system. Results: Serum calcium concentrations were positively associated with the risk of CAD, and this risk was modified by common CASR SNPs. The Ala986Ser SNP was positively associated with hypercalcemia. Carriers of Ala986Ser had a significantly increased CAD risk whereas Arg990Gly carriers had a reduced risk relative to the reference SNP, for those with albumin-corrected serum calcium from 8.5-9.5 mg/dL. In the context of the tri-locus haplotype, the reduced CAD risk conferred by Arg990Gly remained significant. Analysis of the association of common CASR SNPs with CAD risk factors showed Arg990Gly was negatively associated with the CAD risk factor of chronic kidney disease, but independent of alterations in lipids, hemoglobin A1c, or blood pressure. Conclusions: This study compares the common approach of single SNP analysis with the impact of a common variant haplotype block and refocuses attention on the CaSR Arg990Gly SNP which reduces the risk of CAD over a specific range of median albumin-corrected calcium concentrations.

GPR37L1 is an orphan receptor that couples through heterotrimeric G-proteins to regulate physiological functions. Since its role in humans is not fully defined, we used an unbiased computational approach to assess the clinical significance of rare G-protein-coupled receptor 37-like 1 ( GPR37L1 ) genetic variants found among 51,289 whole-exome sequences from the DiscovEHR cohort. Rare GPR37L1 coding variants were binned according to predicted pathogenicity and analyzed by sequence kernel association testing to reveal significant associations with disease diagnostic codes for epilepsy and migraine, among others. Since associations do not prove causality, rare GPR37L1 variants were functionally analyzed in SK-N-MC cells to evaluate potential signaling differences and pathogenicity. Notably, receptor variants exhibited varying abilities to reduce cAMP levels, activate mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling, and/or upregulate receptor expression in response to the agonist prosaptide (TX14(A)), as compared with the wild-type receptor. In addition to signaling changes, knock-out (KO) of GPR37L1 or expression of certain rare variants altered cellular cholesterol levels, which were also acutely regulated by administration of the agonist TX14(A) via activation of the MAPK pathway. Finally, to simulate the impact of rare nonsense variants found in the large patient cohort, a KO mouse line lacking Gpr37l1 was generated. Although KO animals did not recapitulate an acute migraine phenotype, the loss of this receptor produced sex-specific changes in anxiety-related disorders often seen in chronic migraineurs. Collectively, these observations define the existence of rare GPR37L1 variants associated with neuropsychiatric conditions in the human population and identify the signaling changes contributing to pathological processes.

Many G protein-coupled receptors (GPCRs) lack common variants that lead to reproducible genome-wide disease associations. Here we used rare variant approaches to assess the disease associations of 85 orphan or understudied GPCRs in an unselected cohort of 51,289 individuals. Rare loss-of-function variants, missense variants predicted to be pathogenic or likely pathogenic, and a subset of rare synonymous variants were used as independent data sets for sequence kernel association testing (SKAT). Strong, phenome-wide disease associations shared by two or more variant categories were found for 39% of the GPCRs. Validating the bioinformatics and SKAT analyses, functional characterization of rare missense and synonymous variants of GPR39, a Family A GPCR, showed altered expression and/or Zn2+-mediated signaling for members of both variant classes. Results support the utility of rare variant analyses for identifying disease associations for genes that lack common variants, while also highlighting the functional importance of rare synonymous variants.