We used a deeply sequenced dataset of 910 individuals, all of African descent, to construct a set of DNA sequences that is present in these individuals but missing from the reference human genome. We aligned 1.19 trillion reads from the 910 individuals to the reference genome (GRCh38), collected all reads that failed to align, and assembled these reads into contiguous sequences (contigs). We then compared all contigs to one another to identify a set of unique sequences representing regions of the African pan-genome missing from the reference genome. Our analysis revealed 296,485,284 bp in 125,715 distinct contigs present in the populations of African descent, demonstrating that the African pan-genome contains ~10% more DNA than the current human reference genome. Although the functional significance of nearly all of this sequence is unknown, 387 of the novel contigs fall within 315 distinct protein-coding genes, and the rest appear to be intergenic. Assembly of a pan-genome from 910 humans of African descent identifies 296.5 Mb of novel DNA mapping to 125,715 distinct contigs. This African pan-genome contains ~10% more DNA than the current human reference genome.

Rationale: Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a complex lung disease characterized by scarring of the lung that is believed to result from an atypical response to injury of the epithelium. Genome-wide association studies have reported signals of association implicating multiple pathways including host defense, telomere maintenance, signaling, and cell-cell adhesion.Objectives: To improve our understanding of factors that increase IPF susceptibility by identifying previously unreported genetic associations.Methods: We conducted genome-wide analyses across three independent studies and meta-analyzed these results to generate the largest genome-wide association study of IPF to date (2,668 IPF cases and 8,591 controls). We performed replication in two independent studies (1,456 IPF cases and 11,874 controls) and functional analyses (including statistical fine-mapping, investigations into gene expression, and testing for enrichment of IPF susceptibility signals in regulatory regions) to determine putatively causal genes. Polygenic risk scores were used to assess the collective effect of variants not reported as associated with IPF.Measurements and Main Results: We identified and replicated three new genome-wide significant (P < 5 × 10-8) signals of association with IPF susceptibility (associated with altered gene expression of KIF15, MAD1L1, and DEPTOR) and confirmed associations at 11 previously reported loci. Polygenic risk score analyses showed that the combined effect of many thousands of as yet unreported IPF susceptibility variants contribute to IPF susceptibility.Conclusions: The observation that decreased DEPTOR expression associates with increased susceptibility to IPF supports recent studies demonstrating the importance of mTOR signaling in lung fibrosis. New signals of association implicating KIF15 and MAD1L1 suggest a possible role of mitotic spindle-assembly genes in IPF susceptibility.

ABSTRACT

Background

 Asthma pathophysiology is associated with mitochondrial dysfunction. Mitochondrial DNA copy number (mtDNA-CN) has been used as a proxy of mitochondrial function, with lower levels indicating mitochondrial dysfunction in population studies of cardiovascular diseases and cancers. 

Objectives

 We investigate whether lower levels of mtDNA-CN are associated with asthma diagnosis, severity, and exacerbations. 

Methods

 MtDNA-CN is evaluated in blood from two cohorts: UK Biobank (UKB) (asthmatics n = 39,147; non-asthmatics n = 302,302) and Severe Asthma Research Program (SARP) (n = 1283 asthmatics, non-severe n = 703). 

Results

 Asthmatics have lower mtDNA-CN compared to non-asthmatics in UKB (beta, -0.006 [95% CI, -0.008 to -0.003], P = 6.23 × 10^-6). Lower mtDNA-CN is associated with asthma prevalence, but not severity in UKB or SARP. mtDNA-CN declines with age but is lower in asthma than in non-asthmatics at all ages. In one-year longitudinal study in SARP, mtDNA-CN is associated with risk of exacerbation; those with highest mtDNA-CN have the lowest risk of exacerbation [OR 0.333 [95% CI, 0.173 to 0.542], P = 0.001]. Biomarkers of inflammation and oxidative stress are higher in asthma than non-asthmatics, but the lower mtDNA-CN in asthma are independent of general inflammation or oxidative stress. Mendelian Randomization (MR) studies suggest a potential causal relationship between asthma-associated genetic variants and mtDNA-CN. 

Conclusion

 MtDNA-CN are lower in asthmatics than in non-asthmatics and are associated with exacerbations. Low mtDNA-CN in asthma are not mediated through inflammation but are associated with the genetic predisposition to asthma.

Abstract Hyper-secretion and/or hyper-concentration of mucus is a defining feature of multiple obstructive lung diseases, including chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Mucus itself is composed of a mixture of water, ions, salt and proteins, of which the gel-forming mucins, MUC5AC and MUC5B, are the most abundant. Recent studies have linked the concentrations of these proteins in sputum to COPD phenotypes, including chronic bronchitis (CB) and acute exacerbations (AE). We sought to determine whether common genetic variants influence sputum mucin concentrations and whether these variants are also associated with COPD phenotypes, specifically CB and AE. We performed a GWAS to identify quantitative trait loci for sputum mucin protein concentration (pQTL) in the Sub-Populations and InteRmediate Outcome Measures in COPD Study (SPIROMICS, n=708 for total mucin, n=215 for MUC5AC, MUC5B). Subsequently, we tested for associations of mucin pQTL with CB and AE using regression modeling (n=822-1300). Replication analysis was conducted using data from COPDGene (n =5740) and by examining results from the UK Biobank. We identified one genome-wide significant pQTL for MUC5AC (rs75401036) and two for MUC5B (rs140324259, rs10001928). The strongest association for MUC5B, with rs140324259 on chromosome 11, explained 14% of variation in sputum MUC5B. Despite being associated with lower MUC5B, the C allele of rs140324259 conferred increased risk of CB (odds ratio (OR) = 1.42; 95% confidence interval (CI): 1.10-1.80) as well as AE ascertained over three years of follow up (OR=1.41; 95% CI: 1.02-1.94). Associations between rs140324259 and CB or AE did not replicate in COPDGene. However, in the UK Biobank, rs140324259 was associated with phenotypes that define CB, namely chronic mucus production and cough, again with the C allele conferring increased risk. We conclude that sputum MUC5AC and MUC5B concentrations are associated with common genetic variants, and the top locus for MUC5B may influence COPD phenotypes, in particular CB. Author Summary Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is characterized by presence of emphysema and/or chronic bronchitis. Excessive mucus production is a defining phenotype of chronic bronchitis, and is associated with several important features of COPD, including exacerbations and loss of lung function. Recent studies have demonstrated that the amount of mucus produced in COPD patients is an important marker of disease state. We investigated whether common genetic variants are associated with the concentration of two key proteins in mucus, MUC5AC and MUC5B, and whether the variants we identified are also associated with COPD outcomes. We identified multiple genetic variants that were associated with MUC5AC or MUC5B concentration. The strongest association we detected, for MUC5B on chromosome 11, was also associated with features of COPD, including chronic bronchitis and acute exacerbations, in one COPD study population but not another. Results from a much larger study, the UK Biobank, indicate that this variant is associated with chronic mucus production and chronic cough, which are key features of chronic bronchitis. Thus, we conclude that the concentration of key proteins in mucus are influenced by genetic variation, and that a variant on chromosome 11 that affects MUC5B may in turn alter COPD outcomes.

Rationale: Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a complex lung disease characterised by scarring of the lung that is believed to result from an atypical response to injury of the epithelium. The mechanisms by which this arises are poorly understood and it is likely that multiple pathways are involved. The strongest genetic association with IPF is a variant in the promoter of MUC5B where each copy of the risk allele confers a five-fold risk of disease. However, genome-wide association studies have reported additional signals of association implicating multiple pathways including host defence, telomere maintenance, signalling and cell-cell adhesion. Objectives: To improve our understanding of mechanisms that increase IPF susceptibility by identifying previously unreported genetic associations. Methods and measurements: We performed the largest genome-wide association study undertaken for IPF susceptibility with a discovery stage comprising up to 2,668 IPF cases and 8,591 controls with replication in an additional 1,467 IPF cases and 11,874 controls. Polygenic risk scores were used to assess the collective effect of variants not reported as associated with IPF. Main results: We identified and replicated three new genome-wide significant (P<5×10−8) signals of association with IPF susceptibility (near KIF15 , MAD1L1 and DEPTOR ) and confirm associations at 11 previously reported loci. Polygenic risk score analyses showed that the combined effect of many thousands of as-yet unreported IPF risk variants contribute to IPF susceptibility. Conclusions: Novel association signals support the importance of mTOR signalling in lung fibrosis and suggest a possible role of mitotic spindle-assembly genes in IPF susceptibility.