Asthma exacerbations are a serious public health concern due to high healthcare resource utilization, work/school productivity loss, impact on quality of life, and risk of mortality. The genetic basis of asthma exacerbations has been studied in several populations, but no prior study has performed a multi-ancestry meta-analysis of genome-wide association studies (meta-GWAS) for this trait. We aimed to identify common genetic loci associated with asthma exacerbations across diverse populations and to assess their functional role in regulating DNA methylation and gene expression.A meta-GWAS of asthma exacerbations in 4989 Europeans, 2181 Hispanics/Latinos, 1250 Singaporean Chinese, and 972 African Americans analyzed 9.6 million genetic variants. Suggestively associated variants (p ≤ 5 × 10-5 ) were assessed for replication in 36,477 European and 1078 non-European asthma patients. Functional effects on DNA methylation were assessed in 595 Hispanic/Latino and African American asthma patients and in publicly available databases. The effect on gene expression was evaluated in silico.One hundred and twenty-six independent variants were suggestively associated with asthma exacerbations in the discovery phase. Two variants independently replicated: rs12091010 located at vascular cell adhesion molecule-1/exostosin like glycosyltransferase-2 (VCAM1/EXTL2) (discovery: odds ratio (ORT allele ) = 0.82, p = 9.05 × 10-6 and replication: ORT allele = 0.89, p = 5.35 × 10-3 ) and rs943126 from pantothenate kinase 1 (PANK1) (discovery: ORC allele = 0.85, p = 3.10 × 10-5 and replication: ORC allele = 0.89, p = 1.30 × 10-2 ). Both variants regulate gene expression of genes where they locate and DNA methylation levels of nearby genes in whole blood.This multi-ancestry study revealed novel suggestive regulatory loci for asthma exacerbations located in genomic regions participating in inflammation and host defense.

Asthma is a heterogeneous and multifactorial respiratory disease with an important impact on childhood. Difficult-to-treat asthma is not uncommon among children, and it causes a high burden to the patient, caregivers, and society. This review aims to summarize the recent findings on pediatric asthma treatment response revealed by different omic approaches conducted in 2018–2019. A total of 13 studies were performed during this period to assess the role of genomics, epigenomics, transcriptomics, metabolomics, and the microbiome in the response to short-acting beta agonists, inhaled corticosteroids, and leukotriene receptor antagonists. These studies have identified novel associations of genetic markers, epigenetic modifications, metabolites, bacteria, and molecular mechanisms involved in asthma treatment response. This knowledge will allow us establishing molecular biomarkers that could be integrated with clinical information to improve the management of children with asthma.

Background In the USA, genetically admixed populations have the highest asthma prevalence and severe asthma exacerbations rates. This could be explained not only by environmental factors but also by genetic variants that exert ethnic-specific effects. However, no admixture mapping has been performed for severe asthma exacerbations. Objective We sought to identify genetic variants associated with severe asthma exacerbations in Hispanic/Latino subgroups by means of admixture mapping analyses and fine mapping, and to assess their transferability to other populations and potential functional roles. Methods We performed an admixture mapping in 1124 Puerto Rican and 625 Mexican American children with asthma. Fine-mapping of the significant peaks was performed via allelic testing of common and rare variants. We performed replication across Hispanic/Latino subgroups, and the transferability to non-Hispanic/Latino populations was assessed in 1001 African Americans, 1250 Singaporeans and 941 Europeans with asthma. The effects of the variants on gene expression and DNA methylation from whole blood were also evaluated in participants with asthma and in silico with data obtained through public databases. Results Genomewide significant associations of Indigenous American ancestry with severe asthma exacerbations were found at 5q32 in Mexican Americans as well as at 13q13-q13.2 and 3p13 in Puerto Ricans. The single nucleotide polymorphism (SNP) rs1144986 ( C5orf46 ) showed consistent effects for severe asthma exacerbations across Hispanic/Latino subgroups, but it was not validated in non-Hispanics/Latinos. This SNP was associated with DPYSL3 DNA methylation and SCGB3A2 gene expression levels. Conclusions Admixture mapping study of asthma exacerbations revealed a novel locus that exhibited Hispanic/Latino-specific effects and regulated DPYSL3 and SCGB3A2 .

The response to inhaled corticosteroids (ICS) in asthma is affected by the interplay of several factors. Among these, the role of the upper-airway microbiome has been scarcely investigated. We aimed to evaluate the association between the salivary, pharyngeal, and nasal microbiome with asthma exacerbations despite receipt of ICS.Samples from 250 asthma patients from the Genomics and Metagenomics of Asthma Severity (GEMAS) study treated with ICS were analyzed. Control/case subjects were defined by the absence/presence of asthma exacerbations in the past 6 months despite being treated with ICS. The bacterial microbiota was profiled by sequencing the V3-V4 region of the 16S rRNA gene. Differences between groups were assessed by PERMANOVA and regression models adjusted for potential confounders. A false discovery rate (FDR) of 5% was used to correct for multiple comparisons. Classification models of asthma exacerbations despite ICS treatment were built with machine learning approaches based on clinical, genetic, and microbiome data.In nasal and saliva samples, case subjects had lower bacterial diversity (Richness, Shannon, and Faith indices) than control subjects (.007 ≤ P ≤ .037). Asthma exacerbations accounted for 8% to 9% of the interindividual variation of the salivary and nasal microbiomes (.003 ≤ P ≤ .046). Three, 4, and 11 bacterial genera from the salivary, pharyngeal, and nasal microbiomes were differentially abundant between groups (4.09 × 10-12 ≤ FDR ≤ 0.047). Integrating clinical, genetic, and microbiome data showed good discrimination for the development of asthma exacerbations despite receipt of ICS (AUCtraining: 0.82 and AUCvalidation: 0.77).The diversity and composition of the upper-airway microbiome are associated with asthma exacerbations despite ICS treatment. The salivary microbiome has a potential application as a biomarker of asthma exacerbations despite receipt of ICS.

Asthma exacerbations are a major contributor to the global disease burden, but no significant predictive biomarkers are known. The Genomics and Metagenomics of Asthma Severity (GEMAS) study aims to assess the role of genomics and the microbiome in severe asthma exacerbations. Here, we present the design of GEMAS and the characteristics of patients recruited from March 2018 to March 2020. Different biological samples and demographic and clinical variables were collected from asthma patients recruited by allergy and pulmonary medicine units in several hospitals from Spain. Cases and controls were defined by the presence/absence of severe asthma exacerbations in the past year (oral corticosteroid use, emergency room visits, and/or asthma-related hospitalizations). A total of 137 cases and 120 controls were recruited. After stratifying by recruitment location (i.e., Canary Islands and Basque Country), cases and controls did not differ for most demographic and clinical variables (p > 0.05). However, cases showed a higher proportion of characteristics inherent to asthma exacerbations (impaired lung function, severe disease, uncontrolled asthma, gastroesophageal reflux, and use of asthma medications) compared to controls (p < 0.05). Similar results were found after stratification by recruitment unit. Thereby, asthma patients enrolled in GEMAS are balanced for potential confounders and have clinical characteristics that support the phenotype definition. GEMAS will improve the knowledge of potential biomarkers of asthma exacerbations.

Albuterol is the drug most widely used as asthma treatment among African Americans despite having a lower bronchodilator drug response (BDR) than other populations. Although BDR is affected by gene and environmental factors, the influence of DNA methylation is unknown.This study aimed to identify epigenetic markers in whole blood associated with BDR, study their functional consequences by multi-omic integration, and assess their clinical applicability in admixed populations with a high asthma burden.We studied 414 children and young adults (8-21 years old) with asthma in a discovery and replication design. We performed an epigenome-wide association study on 221 African Americans and replicated the results on 193 Latinos. Functional consequences were assessed by integrating epigenomics with genomics, transcriptomics, and environmental exposure data. Machine learning was used to develop a panel of epigenetic markers to classify treatment response.We identified 5 differentially methylated regions and 2 CpGs genome-wide significantly associated with BDR in African Americans located in FGL2 (cg08241295, P = 6.8 × 10-9) and DNASE2 (cg15341340, P = 7.8 × 10-8), which were regulated by genetic variation and/or associated with gene expression of nearby genes (false discovery rate < 0.05). The CpG cg15341340 was replicated in Latinos (P = 3.5 × 10-3). Moreover, a panel of 70 CpGs showed good classification for those with response and nonresponse to albuterol therapy in African American and Latino children (area under the receiver operating characteristic curve for training, 0.99; for validation, 0.70-0.71). The DNA methylation model showed similar discrimination as clinical predictors (P > .05).We report novel associations of epigenetic markers with BDR in pediatric asthma and demonstrate for the first time the applicability of pharmacoepigenetics in precision medicine of respiratory diseases.

BackgroundThe upper-airway microbiome is involved in asthma exacerbations despite inhaled corticosteroid (ICS) treatment. Although human genetics regulates microbiome composition, its influence on asthma-related airway bacteria remains unknown.ObjectiveWe sought to identify genes and biological pathways regulating airway-microbiome traits involved in asthma exacerbations and ICS response.MethodsSaliva, nasal, and pharyngeal samples from 257 European patients with asthma were analyzed. The association of 6,296,951 genetic variants with exacerbation-related microbiome traits despite ICS treatment was tested through microbiome genome-wide association studies. Variants with 1 × 10−4 < P < 1 × 10−6 were examined in gene-set enrichment analyses. Significant results were sought for replication in 114 African American and 158 Latino children with and without asthma. ICS-response–associated single nucleotide polymorphisms reported in the literature were evaluated as microbiome quantitative trait loci. Multiple comparisons were adjusted by the false discovery rate.ResultsGenes associated with exacerbation-related airway-microbiome traits were enriched in asthma comorbidities development (ie, reflux esophagitis, obesity, and smoking), and were likely regulated by trichostatin A and the nuclear factor-κB, the glucocorticosteroid receptor, and CCAAT/enhancer-binding protein transcription factors (7.8 × 10−13 ≤ false discovery rate ≤ 0.022). Enrichment in smoking, trichostatin A, nuclear factor-κB, and glucocorticosteroid receptor were replicated in the saliva samples from diverse populations (4.42 × 10−9 ≤ P ≤ .008). The ICS-response–associated single nucleotide polymorphisms rs5995653 (APOBEC3B-APOBEC3C), rs6467778 (TRIM24), and rs5752429 (TPST2) were identified as microbiome quantitative trait loci of Streptococcus, Tannerella, and Campylobacter in the upper airway (0.027 ≤ false discovery rate ≤ 0.050).ConclusionsGenes associated with asthma exacerbation–related microbiome traits might influence asthma comorbidities. We reinforced the therapeutic interest of trichostatin A, nuclear factor-κB, the glucocorticosteroid receptor, and CCAAT/enhancer-binding protein in asthma exacerbations. The upper-airway microbiome is involved in asthma exacerbations despite inhaled corticosteroid (ICS) treatment. Although human genetics regulates microbiome composition, its influence on asthma-related airway bacteria remains unknown. We sought to identify genes and biological pathways regulating airway-microbiome traits involved in asthma exacerbations and ICS response. Saliva, nasal, and pharyngeal samples from 257 European patients with asthma were analyzed. The association of 6,296,951 genetic variants with exacerbation-related microbiome traits despite ICS treatment was tested through microbiome genome-wide association studies. Variants with 1 × 10−4 < P < 1 × 10−6 were examined in gene-set enrichment analyses. Significant results were sought for replication in 114 African American and 158 Latino children with and without asthma. ICS-response–associated single nucleotide polymorphisms reported in the literature were evaluated as microbiome quantitative trait loci. Multiple comparisons were adjusted by the false discovery rate. Genes associated with exacerbation-related airway-microbiome traits were enriched in asthma comorbidities development (ie, reflux esophagitis, obesity, and smoking), and were likely regulated by trichostatin A and the nuclear factor-κB, the glucocorticosteroid receptor, and CCAAT/enhancer-binding protein transcription factors (7.8 × 10−13 ≤ false discovery rate ≤ 0.022). Enrichment in smoking, trichostatin A, nuclear factor-κB, and glucocorticosteroid receptor were replicated in the saliva samples from diverse populations (4.42 × 10−9 ≤ P ≤ .008). The ICS-response–associated single nucleotide polymorphisms rs5995653 (APOBEC3B-APOBEC3C), rs6467778 (TRIM24), and rs5752429 (TPST2) were identified as microbiome quantitative trait loci of Streptococcus, Tannerella, and Campylobacter in the upper airway (0.027 ≤ false discovery rate ≤ 0.050). Genes associated with asthma exacerbation–related microbiome traits might influence asthma comorbidities. We reinforced the therapeutic interest of trichostatin A, nuclear factor-κB, the glucocorticosteroid receptor, and CCAAT/enhancer-binding protein in asthma exacerbations.

Asthma is a complex and multifactorial respiratory disease with a high prevalence in the pediatric population.&nbsp;Variation in treatment response to asthma therapies has been described among patients, and difficult-to-treat asthma carries both high healthcare and socioeconomic burden to the patients and society. Omic studies can be used to discover the molecular mechanisms underlying asthma susceptibility and treatment response, contributing to a better knowledge and definition of asthma pathogenesis and therefore, to the development of precision medicine. This entry aims to summarize the recent findings of omic studies of treatment response in childhood asthma. Between 2018-2019 a total of 13 omic studies has been performed involving genomics, epigenomics, transcriptomics, metabolomics, and the microbiome. These have been focused on the response to three common asthma medications: short-acting beta agonists, inhaled corticosteroids, and leukotriene receptor antagonists. Novel associations of different biomarkers with asthma treatment response have been described. However, stronger evidence and more consistent results are required to implement these&nbsp;molecular biomarkers into clinical practice by establishing the most appropriate therapy for each patient.

Asthma is the most prevalent pediatric chronic disease. Bronchodilator drug response (BDR) and fractional exhaled nitric oxide (FeNO) are clinical biomarkers of asthma. Although DNA methylation (DNAm) contributes to asthma pathogenesis, the influence of DNAm on BDR and FeNO is scarcely investigated. This study aims to identify DNAm markers in whole blood associated either with BDR or FeNO in pediatric asthma. We analyzed 121 samples from children with moderate-to-severe asthma. The association of genome-wide DNAm with BDR and FeNO has been assessed using regression models, adjusting for age, sex, ancestry, and tissue heterogeneity. Cross-tissue validation was assessed in 50 nasal samples. Differentially methylated regions (DMRs) and enrichment in traits and biological pathways were assessed. A false discovery rate (FDR) < 0.1 and a genome-wide significance threshold of p < 9 × 10−8 were used to control for false-positive results. The CpG cg12835256 (PLA2G12A) was genome-wide associated with FeNO in blood samples (coefficient= −0.015, p = 2.53 × 10−9) and nominally associated in nasal samples (coefficient = −0.015, p = 0.045). Additionally, three CpGs were suggestively associated with BDR (FDR < 0.1). We identified 12 and four DMRs associated with FeNO and BDR (FDR < 0.05), respectively. An enrichment in allergic and inflammatory processes, smoking, and aging was observed. We reported novel associations of DNAm markers associated with BDR and FeNO enriched in asthma-related processes.

Asthma is a chronic inflammatory disease of the airways. Asthma patients may experience potentially life-threatening episodic flare-ups, known as exacerbations, which may significantly contribute to the asthma burden. The Pi*S and Pi*Z variants of the SERPINA1 gene, which usually involve alpha-1 antitrypsin (AAT) deficiency, had previously been associated with asthma. The link between AAT deficiency and asthma might be represented by the elastase/antielastase imbalance. However, their role in asthma exacerbations remains unknown. Our objective was to assess whether SERPINA1 genetic variants and reduced AAT protein levels are associated with asthma exacerbations.In the discovery analysis, SERPINA1 Pi*S and Pi*Z variants and serum AAT levels were analyzed in 369 subjects from La Palma (Canary Islands, Spain). As replication, genomic data from two studies focused on 525 Spaniards and publicly available data from UK Biobank, FinnGen, and GWAS Catalog (Open Targets Genetics) were analyzed. The associations between SERPINA1 Pi*S and Pi*Z variants and AAT deficiency with asthma exacerbations were analyzed with logistic regression models, including age, sex, and genotype principal components as covariates.In the discovery, a significant association with asthma exacerbations was found for both Pi*S (odds ratio [OR]=2.38, 95% confidence interval [CI]= 1.40-4.04, p-value=0.001) and Pi*Z (OR=3.49, 95%CI=1.55-7.85, p-value=0.003)Likewise, AAT deficiency was associated with a higher risk for asthma exacerbations (OR=5.18, 95%CI=1.58-16.92, p-value=0.007) as well as AAT protein levels (OR= 0.72, 95%CI=0.57-0.91, p-value=0.005). The Pi*Z association with exacerbations was replicated in samples from Spaniards with two generations of Canary Islander origin (OR=3.79, p-value=0.028), and a significant association with asthma hospitalizations was found in the Finnish population (OR=1.12, p-value=0.007).AAT deficiency could be a potential therapeutic target for asthma exacerbations in specific populations.