Unleashing the power of precision medicine Precision medicine promises the ability to identify risks and treat patients on the basis of pathogenic genetic variation. Two studies combined exome sequencing results for over 50,000 people with their electronic health records. Dewey et al. found that ∼3.5% of individuals in their cohort had clinically actionable genetic variants. Many of these variants affected blood lipid levels that could influence cardiovascular health. Abul-Husn et al. extended these findings to investigate the genetics and treatment of familial hypercholesterolemia, a risk factor for cardiovascular disease, within their patient pool. Genetic screening helped identify at-risk patients who could benefit from increased treatment. Science , this issue p. 10.1126/science.aaf6814 , p. 10.1126/science.aaf7000

Familial hypercholesterolemia (FH) remains underdiagnosed despite widespread cholesterol screening. Exome sequencing and electronic health record (EHR) data of 50,726 individuals were used to assess the prevalence and clinical impact of FH-associated genomic variants in the Geisinger Health System. The estimated FH prevalence was 1:256 in unselected participants and 1:118 in participants ascertained via the cardiac catheterization laboratory. FH variant carriers had significantly increased risk of coronary artery disease. Only 24% of carriers met EHR-based presequencing criteria for probable or definite FH diagnosis. Active statin use was identified in 58% of carriers; 46% of statin-treated carriers had a low-density lipoprotein cholesterol level below 100 mg/dl. Thus, we find that genomic screening can prompt the diagnosis of FH patients, most of whom are receiving inadequate lipid-lowering therapy.

The discovery and reliable detection of markers for neurodegenerative diseases have been complicated by the inaccessibility of the diseased tissue- such as the inability to biopsy or test tissue from the central nervous system directly. RNAs originating from hard to access tissues, such as neurons within the brain and spinal cord, have the potential to get to the periphery where they can be detected non-invasively. The formation and extracellular release of microvesicles and RNA binding proteins have been found to carry RNA from cells of the central nervous system to the periphery and protect the RNA from degradation. Extracellular miRNAs detectable in peripheral circulation can provide information about cellular changes associated with human health and disease. In order to associate miRNA signals present in cell-free peripheral biofluids with neurodegenerative disease status of patients with Alzheimer's and Parkinson's diseases, we assessed the miRNA content in cerebrospinal fluid and serum from postmortem subjects with full neuropathology evaluations. We profiled the miRNA content from 69 patients with Alzheimer's disease, 67 with Parkinson's disease and 78 neurologically normal controls using next generation small RNA sequencing (NGS). We report the average abundance of each detected miRNA in cerebrospinal fluid and in serum and describe 13 novel miRNAs that were identified. We correlated changes in miRNA expression with aspects of disease severity such as Braak stage, dementia status, plaque and tangle densities, and the presence and severity of Lewy body pathology. Many of the differentially expressed miRNAs detected in peripheral cell-free cerebrospinal fluid and serum were previously reported in the literature to be deregulated in brain tissue from patients with neurodegenerative disease. These data indicate that extracellular miRNAs detectable in the cerebrospinal fluid and serum are reflective of cell-based changes in pathology and can be used to assess disease progression and therapeutic efficacy.

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.

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.

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.

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.

Myosin motors are the fundamental force-generating element of muscle contraction. Variation in the human β-cardiac myosin gene (MYH7) can lead to hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a heritable disease characterized by cardiac hypertrophy, heart failure, and sudden cardiac death. How specific myosin variants alter motor function or clinical expression of disease remains incompletely understood. Here, we combine structural models of myosin from multiple stages of its chemomechanical cycle, exome sequencing data from population cohorts of 60,706 and 42,930 individuals, and genetic and phenotypic data from 2,913 HCM patients to elucidate novel structure-function relationships within β-cardiac myosin. We first developed computational models of the human β-cardiac myosin protein before and after the myosin power stroke. Then, using a spatial scan statistic modified to analyze genetic variation in protein three-dimensional space, we found significant enrichment of disease-associated variants in the converter, a kinetic domain that transduces force from the catalytic domain to the lever arm to accomplish the power stroke. Focusing our analysis on surface-exposed residues, we identified another region enriched for disease-associated variants that contains both the converter domain and residues on a single flat surface on the myosin head described as a myosin mesa. This surface is prominent in the pre-stroke model, but substantially reduced in size following the power stroke. Notably, HCM patients with variants in the enriched regions have earlier presentation and worse outcome than those with variants in other regions. In summary, this study provides a model for the combination of protein structure, large-scale genetic sequencing and detailed phenotypic data to reveal insight into time-shifted protein structures and genetic disease.