Summary

 Individuals from different populations vary considerably in their susceptibility to immune-related diseases. To understand how genetic variation and natural selection contribute to these differences, we tested for the effects of African versus European ancestry on the transcriptional response of primary macrophages to live bacterial pathogens. A total of 9.3% of macrophage-expressed genes show ancestry-associated differences in the gene regulatory response to infection, and African ancestry specifically predicts a stronger inflammatory response and reduced intracellular bacterial growth. A large proportion of these differences are under genetic control: for 804 genes, more than 75% of ancestry effects on the immune response can be explained by a single cis- or trans-acting expression quantitative trait locus (eQTL). Finally, we show that genetic effects on the immune response are strongly enriched for recent, population-specific signatures of adaptation. Together, our results demonstrate how historical selective events continue to shape human phenotypic diversity today, including for traits that are key to controlling infection.

Many complex human diseases are highly sexually dimorphic, suggesting a potential contribution of the X chromosome to disease risk. However, the X chromosome has been neglected or incorrectly analyzed in most genome-wide association studies (GWAS). We present tailored analytical methods and software that facilitate X-wide association studies (XWAS), which we further applied to reanalyze data from 16 GWAS of different autoimmune and related diseases (AID). We associated several X-linked genes with disease risk, among which (1) ARHGEF6 is associated with Crohn?s disease and replicated in a study of ulcerative colitis, another inflammatory bowel disease (IBD). Indeed, ARHGEF6 interacts with a gastric bacterium that has been implicated in IBD. (2) CENPI is associated with three different AID, which is compelling in light of known associations with AID of autosomal genes encoding centromere proteins, as well as established autosomal evidence of pleiotropy between autoimmune diseases. (3) We replicated a previous association of FOXP3, a transcription factor that regulates T-cell development and function, with vitiligo; and (4) we discovered that C1GALT1C1 exhibits sex-specific effect on disease risk in both IBDs. These and other X-linked genes that we associated with AID tend to be highly expressed in tissues related to immune response, participate in major immune pathways, and display differential gene expression between males and females. Combined, the results demonstrate the importance of the X chromosome in autoimmunity, reveal the potential of extensive XWAS, even based on existing data, and provide the tools and incentive to properly include the X chromosome in future studies.

Inbreeding and consanguinity leave distinct genomic traces, most notably long genomic tracts that are identical by descent and completely homozygous. These runs of homozygosity (ROH) can contribute to inbreeding depression if they contain deleterious variants that are fully or partially recessive. Several lines of evidence have been used to show that long (> 5 megabase (Mb)) ROH are disproportionately likely to harbor deleterious variation, but the extent to which long versus short tracts contribute to autozygosity at loci known to be deleterious and recessive has not been studied. In domestic dogs, nearly 200 mutations are known to cause recessive diseases, most of which can be efficiently assayed using SNP arrays. By examining genome-wide data from over 200,000 markers, including 150 recessive disease variants, we built high-resolution ROH density maps for nearly 2,500 dogs, recording ROH down to 500 kilobases. We observed over 500 homozygous deleterious recessive genotypes in the panel, 90% of which overlapped with ROH inferred by GERMLINE. Although most of these genotypes were contained in ROH over 5 Mb in length, 14% were contained in short (0.5 - 2.5 Mb) tracts, a significant enrichment compared to the genetic background, suggesting that even short tracts are useful for computing inbreeding metrics like the coefficient of inbreeding estimated from ROH (FROH). In our dataset, FROH differed significantly both within and among dog breeds. All breeds harbored some regions of reduced genetic diversity due to drift or selective sweeps, but the degree of inbreeding and the proportion of inbreeding caused by short versus long tracts differed between breeds, reflecting their different population histories. Although only available for a few species, large genome-wide datasets including recessive disease variants hold particular promise not only for disentangling the genetic architecture of inbreeding depression, but also evaluating and improving upon current approaches for detecting ROH.

The 2′-5′ oligoadenylate synthetase (OAS) locus encodes for three OAS enzymes (OAS1-3) involved in innate immune response. This region harbors high amounts of Neandertal ancestry in non-African populations; yet, strong evidence of positive selection in the OAS region is still lacking. Here we used a broad array of selection tests in concert with neutral coalescent simulations to firmly demonstrate a signal of adaptive introgression at the OAS locus. Furthermore, we characterized the functional consequences of the Neandertal haplotype in the transcriptional regulation of OAS genes at baseline and infected conditions. We found that cells from people with the Neandertal-like haplotype express lower levels of OAS3 upon infection, as well as distinct isoforms of OAS1 and OAS2. Notably, the Neandertal-introgressed haplotype reintroduced an ancestral splice variant of OAS1 encoding a more active protein, suggesting that adaptive introgression occurred as a means to resurrect adaptive variation that had been lost outside Africa.

Consumer genomics enables genetic discovery on an unprecedented scale by linking very large databases of personal genomic data with phenotype information voluntarily submitted via web-based surveys. These databases are having a transformative effect on human genomic research, yielding insights on increasingly complex traits, behaviors, and disease by including many thousands of individuals in genome-wide association studies (GWAS). The promise of consumer genomic data is not limited to human research, however. Genomic tools for dogs are readily available, with hundreds of causal Mendelian variants already characterized, because selection and breeding have led to dramatic phenotypic diversity underlain by a simple genetic structure. Here, we report the results of the first consumer genomics study ever conducted in a non-human model: a GWAS of blue eyes based on more than 3,000 customer dogs with a validation panel of nearly 3,000 more, the largest canine GWAS to date. We discovered a novel association with blue eyes on chromosome 18 (P = 1x10-65) and used both sequence coverage and microarray probe intensity data to identify the putative causal variant: a 98.6-kb duplication directly upstream of the hox gene ALX4, which plays an important role in mammalian eye development. This duplication was largely restricted to Siberian Huskies and is highly, but not completely, penetrant. These results underscore the power of consumer-data-driven discovery in non-human species, especially dogs, where there is intense owner interest in the personal genomic information of their pets, a high level of engagement with web-based surveys, and an underlying genetic architecture ideal for mapping studies.

Inbreeding depression has been demonstrated to impact vital rates, productivity, and performance in many domestic species. Many in the field have demonstrated the value of genomic measures of inbreeding compared to pedigree-based estimates of inbreeding; further, standardized, high-quality phenotype data on all individuals is invaluable for longitudinal analyses of a study cohort. We compared measures of reproductive fitness in a small cohort of Golden Retrievers enrolled in the Golden Retriever Lifetime Study (GRLS) to a genomic measurement of inbreeding, FROH. We demonstrate a statistically significant negative correlation between fecundity and FROH. This work sets the stage for larger scale analyses to investigate genomic regions associated with fecundity and other measures of fitness.

In many ways dogs are an ideal model for the study of genetic erosion and population recovery, problems of major concern in the field of conservation genetics. Genetic diversity in many dog breeds has been declining systematically since the beginning of the 1800's, when modern breeding practices came into fashion. As such, inbreeding in domestic dog breeds is substantial and widespread and has led to an increase in recessive deleterious mutations of high effect as well as general inbreeding depression. Pedigrees can in theory be used to guide breeding decisions, though are often incomplete and do not reflect the full history of inbreeding. Small microsatellite panels are also used in some cases to choose mating pairs to produce litters with low levels of inbreeding. However, the long-term impact of such practices have not been thoroughly evaluated. Here, we use forward simulation on a model of the dog genome to examine the impact of using limited markers panels to guide pairwise mating decisions on genome-wide population level genetic diversity. Our results suggest that in unsupervised mating schemes, where breeding decisions are made at the pairwise- rather than population-level, such panels can lead to accelerated loss of genetic diversity compared to random mating at regions of the genome unlinked to panel markers and demonstrate the importance of genome-wide genetic panels for managing and conserving genetic diversity in dogs and other companion animals.

Genetic risk for common autoimmune diseases is influenced by hundreds of small effect, mostly non-coding variants, enriched in regulatory regions active in adaptive-immune cell types. DNaseI hypersensitivity sites (DHSs) are a genomic mark for regulatory DNA. Here, we generated a single DHSs annotation from fifteen deeply sequenced DNase-seq experiments in adaptive-immune as well as non-immune cell types. Using this annotation we quantified accessibility across cell types in a matrix format amenable to statistical analysis, deduced the subset of DHSs unique to adaptive-immune cell types, and grouped DHSs by cell-type accessibility profiles. Measuring enrichment with cell-type-specific TF binding sites as well as proximal gene expression and function, we show that accessibility profiles grouped DHSs into coherent regulatory functions. Using the adaptive-immune-specific DHSs as input (0.37% of genome), we associated DHSs to six autoimmune diseases with GWAS data. Associated loci showed higher replication rates when compared to loci identified by GWAS or by considering all DHSs, allowing the additional discovery of 327 loci (FDR<0.005) below typical GWAS significance threshold, 52 of which are novel and replicating discoveries. Finally, we integrated DHS associations from six autoimmune diseases, using a network model (bird's-eye view) and a regulatory Manhattan plot schema (per locus). Taken together, we described and validated a strategy to leverage finely resolved regulatory priors, enhancing the discovery, interpretability, and resolution of genetic associations, and providing actionable insights for follow up work.