Rates of childhood asthma diagnosis are rising: 6% of children in the United States are sufferers. Both genetic and environmental factors are clearly important. To discover more about the genetic element, Moffatt et al. looked for genes linked to asthma in a genome-wide association scan. More than a third of children with asthma of onset below the age of seven showed variations in expression of the ORMDL3 gene on chromosome 17. Similar genes are found in yeast and other primitive organisms, suggesting that they may be components of an ancient and conserved immune mechanism. Variations in expression of the gene ORMDL3 were found to be associated with development of childhood asthma, suggesting this gene should be examined in more patient groups. Asthma is caused by a combination of poorly understood genetic and environmental factors1,2. We have systematically mapped the effects of single nucleotide polymorphisms (SNPs) on the presence of childhood onset asthma by genome-wide association. We characterized more than 317,000 SNPs in DNA from 994 patients with childhood onset asthma and 1,243 non-asthmatics, using family and case-referent panels. Here we show multiple markers on chromosome 17q21 to be strongly and reproducibly associated with childhood onset asthma in family and case-referent panels with a combined P value of P < 10-12. In independent replication studies the 17q21 locus showed strong association with diagnosis of childhood asthma in 2,320 subjects from a cohort of German children (P = 0.0003) and in 3,301 subjects from the British 1958 Birth Cohort (P = 0.0005). We systematically evaluated the relationships between markers of the 17q21 locus and transcript levels of genes in Epstein–Barr virus (EBV)-transformed lymphoblastoid cell lines from children in the asthma family panel used in our association study. The SNPs associated with childhood asthma were consistently and strongly associated (P < 10-22) in cis with transcript levels of ORMDL3, a member of a gene family that encodes transmembrane proteins anchored in the endoplasmic reticulum3. The results indicate that genetic variants regulating ORMDL3 expression are determinants of susceptibility to childhood asthma.

Rationale: Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a progressive lung disease of unknown cause that leads to respiratory failure and death within 5 years of diagnosis. Overt respiratory infection and immunosuppression carry a high morbidity and mortality, and polymorphisms in genes related to epithelial integrity and host defense predispose to IPF.Objectives: To investigate the role of bacteria in the pathogenesis and progression of IPF.Methods: We prospectively enrolled patients diagnosed with IPF according to international criteria together with healthy smokers, nonsmokers, and subjects with moderate chronic obstructive pulmonary disease as control subjects. Subjects underwent bronchoalveolar lavage (BAL), from which genomic DNA was isolated. The V3–V5 region of the bacterial 16S rRNA gene was amplified, allowing quantification of bacterial load and identification of communities by 16S rRNA quantitative polymerase chain reaction and pyrosequencing.Measurements and Main Results: Sixty-five patients with IPF had double the burden of bacteria in BAL fluid compared with 44 control subjects. Baseline bacterial burden predicted the rate of decline in lung volume and risk of death and associated independently with the rs35705950 polymorphism of the MUC5B mucin gene, a proven host susceptibility factor for IPF. Sequencing yielded 912,883 high-quality reads from all subjects. We identified Haemophilus, Streptococcus, Neisseria, and Veillonella spp. to be more abundant in cases than control subjects. Regression analyses indicated that these specific operational taxonomic units as well as bacterial burden associated independently with IPF.Conclusions: IPF is characterized by an increased bacterial burden in BAL that predicts decline in lung function and death. Trials of antimicrobial therapy are needed to determine if microbial burden is pathogenic in the disease.

Rhinovirus infection is followed by significantly increased frequencies of positive, potentially pathogenic sputum cultures in chronic obstructive pulmonary disease (COPD). However, it remains unclear whether these represent de novo infections or an increased load of organisms from the complex microbial communities (microbiome) in the lower airways.To investigate the effect of rhinovirus infection on the airway bacterial microbiome.Subjects with COPD (n = 14) and healthy control subjects with normal lung function (n = 17) were infected with rhinovirus. Induced sputum was collected at baseline before rhinovirus inoculation and again on Days 5, 15, and 42 after rhinovirus infection and DNA was extracted. The V3-V5 region of the bacterial 16S ribosomal RNA gene was amplified and pyrosequenced, resulting in 370,849 high-quality reads from 112 of the possible 124 time points.At 15 days after rhinovirus infection, there was a sixfold increase in 16S copy number (P = 0.007) and a 16% rise in numbers of proteobacterial sequences, most notably in potentially pathogenic Haemophilus influenzae (P = 2.7 × 10(-20)), from a preexisting community. These changes occurred only in the sputum microbiome of subjects with COPD and were still evident 42 days after infection. This was in contrast to the temporal stability demonstrated in the microbiome of healthy smokers and nonsmokers.After rhinovirus infection, there is a rise in bacterial burden and a significant outgrowth of Haemophilus influenzae from the existing microbiota of subjects with COPD. This is not observed in healthy individuals. Our findings suggest that rhinovirus infection in COPD alters the respiratory microbiome and may precipitate secondary bacterial infections.

Asthma is a complex disease that has genetic and environmental causes. The genetic factors associated with susceptibility to asthma remain largely unknown.

Asthma, a chronic airway disease with known heritability, affects more than 300 million people around the world. A genome-wide association (GWA) study of asthma with 359 cases from the Childhood Asthma Management Program (CAMP) and 846 genetically matched controls from the Illumina ICONdb public resource was performed. The strongest region of association seen was on chromosome 5q12 in PDE4D. The phosphodiesterase 4D, cAMP-specific (phosphodiesterase E3 dunce homolog, Drosophila) gene (PDE4D) is a regulator of airway smooth-muscle contractility, and PDE4 inhibitors have been developed as medications for asthma. Allelic p values for top SNPs in this region were 4.3 × 10−07 for rs1588265 and 9.7 × 10−07 for rs1544791. Replications were investigated in ten independent populations with different ethnicities, study designs, and definitions of asthma. In seven white and Hispanic replication populations, two PDE4D SNPs had significant results with p values less than 0.05, and five had results in the same direction as the original population but had p values greater than 0.05. Combined p values for 18,891 white and Hispanic individuals (4,342 cases) in our replication populations were 4.1 × 10−04 for rs1588265 and 9.2 × 10−04 for rs1544791. In three black replication populations, which had different linkage disequilibrium patterns than the other populations, original findings were not replicated. Further study of PDE4D variants might lead to improved understanding of the role of PDE4D in asthma pathophysiology and the efficacy of PDE4 inhibitor medications. Asthma, a chronic airway disease with known heritability, affects more than 300 million people around the world. A genome-wide association (GWA) study of asthma with 359 cases from the Childhood Asthma Management Program (CAMP) and 846 genetically matched controls from the Illumina ICONdb public resource was performed. The strongest region of association seen was on chromosome 5q12 in PDE4D. The phosphodiesterase 4D, cAMP-specific (phosphodiesterase E3 dunce homolog, Drosophila) gene (PDE4D) is a regulator of airway smooth-muscle contractility, and PDE4 inhibitors have been developed as medications for asthma. Allelic p values for top SNPs in this region were 4.3 × 10−07 for rs1588265 and 9.7 × 10−07 for rs1544791. Replications were investigated in ten independent populations with different ethnicities, study designs, and definitions of asthma. In seven white and Hispanic replication populations, two PDE4D SNPs had significant results with p values less than 0.05, and five had results in the same direction as the original population but had p values greater than 0.05. Combined p values for 18,891 white and Hispanic individuals (4,342 cases) in our replication populations were 4.1 × 10−04 for rs1588265 and 9.2 × 10−04 for rs1544791. In three black replication populations, which had different linkage disequilibrium patterns than the other populations, original findings were not replicated. Further study of PDE4D variants might lead to improved understanding of the role of PDE4D in asthma pathophysiology and the efficacy of PDE4 inhibitor medications.

X-linked intellectual disability (XLID) is a clinically and genetically heterogeneous disorder. During the past two decades in excess of 100 X-chromosome ID genes have been identified. Yet, a large number of families mapping to the X-chromosome remained unresolved suggesting that more XLID genes or loci are yet to be identified. Here, we have investigated 405 unresolved families with XLID. We employed massively parallel sequencing of all X-chromosome exons in the index males. The majority of these males were previously tested negative for copy number variations and for mutations in a subset of known XLID genes by Sanger sequencing. In total, 745 X-chromosomal genes were screened. After stringent filtering, a total of 1297 non-recurrent exonic variants remained for prioritization. Co-segregation analysis of potential clinically relevant changes revealed that 80 families (20%) carried pathogenic variants in established XLID genes. In 19 families, we detected likely causative protein truncating and missense variants in 7 novel and validated XLID genes (CLCN4, CNKSR2, FRMPD4, KLHL15, LAS1L, RLIM and USP27X) and potentially deleterious variants in 2 novel candidate XLID genes (CDK16 and TAF1). We show that the CLCN4 and CNKSR2 variants impair protein functions as indicated by electrophysiological studies and altered differentiation of cultured primary neurons from Clcn4−/− mice or after mRNA knock-down. The newly identified and candidate XLID proteins belong to pathways and networks with established roles in cognitive function and intellectual disability in particular. We suggest that systematic sequencing of all X-chromosomal genes in a cohort of patients with genetic evidence for X-chromosome locus involvement may resolve up to 58% of Fragile X-negative cases.

Background: Repetitive alveolar damage and aberrant repair may be important in the development of the fatal condition Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF). The role played by microorganisms in this cycle is unknown. Methods: We consecutively enrolled patients diagnosed with IPF according to international criteria together with healthy smokers, non-smokers and subjects with moderate Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) as controls. Subjects underwent bronchoalveolar lavage (BAL) from which genomic DNA was isolated. The V3-V5 region of the bacterial 16S rRNA gene was amplified, allowing quantification of bacterial load and identification of communities by 16S rRNA qPCR and pyrosequencing. Results: Our 65 IPF patients had 3.9x109 copies of the 16S rRNA gene per ml of BAL, two-fold more than the 1.8x109 copies in 44 sex- and smoking-matched controls (P<0.0001). Baseline BAL bacterial burden predicted Forced Vital Capacity (FVC) decline (P=0.02). Patients in the highest tertile of bacterial burden were at a higher risk of mortality compared to subjects in the lowest tertile (hazard ratio 4.59 (95% CI, 1.05-20); P=0.04). Sequencing yielded 912,883 high quality reads from all subjects. Operational Taxonomic Units (OTUs) representing Haemophilus, Streptococcus, Neisseria and Veillonella were 1.5 to 3.5 fold more abundant in cases than controls (P<0.05). Regression analyses indicated that these specific OTUs as well as bacterial burden associated independently with IPF. Conclusions: IPF is characterised by an increased bacterial burden in BAL that predicts decline in lung function and death. Clinical trials of antimicrobial therapy may determine if microbial burden is causal or not in IPF progression.

S ummary paragraph Lung diseases due to infection and dysbiosis affect hundreds of millions of people world-wide 1-4 . Microbial communities at the airway mucosal barrier are conserved and highly ordered 5 , reflecting symbiosis and co-evolution with human host factors 6 . Freed of selection to digest nutrients for the host, the airway microbiome underpins cognate management of mucosal immunity and pathogen resistance. We show here the results of the first systematic culture and whole-genome sequencing of the principal airway bacterial species, identifying abundant novel organisms within the genera Streptococcus, Pauljensenia, Neisseria and Gemella . Bacterial genomes were enriched for genes encoding antimicrobial synthesis, adhesion and biofilm formation, immune modulation, iron utilisation, nitrous oxide (NO) metabolism and sphingolipid signalling. RNA-targeting CRISPR elements in some taxa suggest the potential to prevent or treat specific viral infections. Homologues of human RO60 present in Neisseria spp. provide a possible respiratory primer for autoimmunity in systemic lupus erythematosus (SLE) and Sjögren syndrome. We interpret the structure and biogeography of airway microbial communities from clinical surveys in the context of whole-genome content, identifying features of airway dysbiosis that may presage breakdown of homeostasis during acute attacks of asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). We match the gene content of isolates to human transcripts and metabolites expressed late in airway epithelial differentiation, identifying pathways that can sustain host interactions with the microbiota. Our results provide a systematic basis for decrypting interactions between commensals, pathogens, and mucosal immunity in lung diseases of global significance.

Background Normal airway microbial communities play a central role in respiratory health but are poorly characterized. Cigarette smoking is the dominant global environmental influence on lung function, and asthma has become the most prevalent chronic respiratory disease worldwide. Both conditions have major microbial components that are also poorly defined.Methods We investigated airway bacterial communities in a general population sample of 529 Australian adults. Posterior oropharyngeal swabs were analysed by sequencing of the 16S rRNA and methionine aminopeptidase genes. The microbiota were characterised according to their prevalence, abundance, and network memberships.Findings Microbial communities were similar across the population and were strongly organized into co-abundance networks. Smoking associated with diversity loss, negative effects on abundant taxa, profound alterations to network structure and expansion of Streptococcus spp. By contrast, the asthmatic microbiota were selectively affected by an increase in Neisseria spp. and by reduced numbers of low abundance but prevalent organisms.Interpretation Our study shows healthy airway microbiota are contained within a highly structured ecosystem, indicating balanced relationships between the microbiome and human host factors. The marked abnormalities in smokers may be pathogenic for chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and lung cancer. The narrow spectrum of abnormalities in asthmatics encourages investigation of damaging and protective effects of specific bacteria.Funding The study was funded by the Asmarley Trust and a Wellcome Senior Investigator Award to WOCC and MFM (P46009). The Busselton Healthy Ageing Study is supported by the Government of Western Australia (Office of Science, Department of Health) the City of Busselton, and private donations.