Abstract Scalable, integrative methods to understand mechanisms that link genetic variants with phenotypes are needed. Here we derive a mathematical expression to compute PrediXcan (a gene mapping approach) results using summary data (S-PrediXcan) and show its accuracy and general robustness to misspecified reference sets. We apply this framework to 44 GTEx tissues and 100+ phenotypes from GWAS and meta-analysis studies, creating a growing public catalog of associations that seeks to capture the effects of gene expression variation on human phenotypes. Replication in an independent cohort is shown. Most of the associations are tissue specific, suggesting context specificity of the trait etiology. Colocalized significant associations in unexpected tissues underscore the need for an agnostic scanning of multiple contexts to improve our ability to detect causal regulatory mechanisms. Monogenic disease genes are enriched among significant associations for related traits, suggesting that smaller alterations of these genes may cause a spectrum of milder phenotypes.

Trait-associated genetic variants affect complex phenotypes primarily via regulatory mechanisms on the transcriptome. To investigate the genetics of gene expression, we performed cis- and trans-expression quantitative trait locus (eQTL) analyses using blood-derived expression from 31,684 individuals through the eQTLGen Consortium. We detected cis-eQTL for 88% of genes, and these were replicable in numerous tissues. Distal trans-eQTL (detected for 37% of 10,317 trait-associated variants tested) showed lower replication rates, partially due to low replication power and confounding by cell type composition. However, replication analyses in single-cell RNA-seq data prioritized intracellular trans-eQTL. Trans-eQTL exerted their effects via several mechanisms, primarily through regulation by transcription factors. Expression of 13% of the genes correlated with polygenic scores for 1,263 phenotypes, pinpointing potential drivers for those traits. In summary, this work represents a large eQTL resource, and its results serve as a starting point for in-depth interpretation of complex phenotypes. Analyses of expression profiles from whole blood of 31,684 individuals identify cis-expression quantitative trait loci (eQTL) effects for 88% of genes and trans-eQTL effects for 37% of trait-associated variants.

Ira Hall, Donald Conrad, the GTEx consortium and colleagues identify 23,602 high-confidence structural variants (SVs) and 24,884 cis expression quantitative trait loci (eQTLs) across 13 human tissues. They estimate that SVs are the causal variant at 3.5–6.8% of eQTLs and identify 789 SVs predicted to directly alter gene expression, most of which are noncoding variants in regulatory elements. Structural variants (SVs) are an important source of human genetic diversity, but their contribution to traits, disease and gene regulation remains unclear. We mapped cis expression quantitative trait loci (eQTLs) in 13 tissues via joint analysis of SVs, single-nucleotide variants (SNVs) and short insertion/deletion (indel) variants from deep whole-genome sequencing (WGS). We estimated that SVs are causal at 3.5–6.8% of eQTLs—a substantially higher fraction than prior estimates—and that expression-altering SVs have larger effect sizes than do SNVs and indels. We identified 789 putative causal SVs predicted to directly alter gene expression: most (88.3%) were noncoding variants enriched at enhancers and other regulatory elements, and 52 were linked to genome-wide association study loci. We observed a notable abundance of rare high-impact SVs associated with aberrant expression of nearby genes. These results suggest that comprehensive WGS-based SV analyses will increase the power of common- and rare-variant association studies.

Gene co-expression networks capture biologically important patterns in gene expression data, enabling functional analyses of genes, discovery of biomarkers, and interpretation of regulatory genetic variants. Most network analyses to date have been limited to assessing correlation between total gene expression levels in a single or small sets of tissues. Here, we have reconstructed networks that capture a much more complete set of regulatory relationships, specifically including regulation of relative isoform abundance and splicing, and tissue-specific connections unique to each of a diverse set of tissues. Using the Genotype-Tissue Expression (GTEx) project v6 RNA-sequencing data across 44 tissues in 449 individuals, we evaluated shared and tissue-specific network relationships. First, we developed a framework called Transcriptome Wide Networks (TWNs) for combining total expression and relative isoform levels into a single sparse network, capturing the complex interplay between the regulation of splicing and transcription. We built TWNs for sixteen tissues, and found that hubs with isoform node neighbors in these networks were strongly enriched for splicing and RNA binding genes, demonstrating their utility in unraveling regulation of splicing in the human transcriptome, and providing a set of candidate shared and tissue-specific regulatory hub genes. Next, we used a Bayesian biclustering model that identifies network edges between genes with co-expression in a single tissue to reconstruct tissue-specific networks (TSNs) for 27 distinct GTEx tissues and for four subsets of related tissues. Using both TWNs and TSNs, we characterized gene co-expression patterns shared across tissues. Finally, we found genetic variants associated with multiple neighboring nodes in our networks, supporting the estimated network structures and identifying 33 genetic variants with distant regulatory impact on transcription and splicing. Our networks provide an improved understanding of the complex relationships between genes in the human transcriptome, including tissue-specificity of gene co-expression, regulation of splicing, and the coordinated impact of genetic variation on transcription.

Structural variants (SVs) are an important source of human genetic diversity but their contribution to traits, disease, and gene regulation remains unclear. The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project presents an unprecedented opportunity to address this question due to the availability of deep whole genome sequencing (WGS) and multi-tissue RNA-seq data from 147 individuals. We used comprehensive methods to identify 24,157 high confidence SVs, and mapped cis expression quantitative trait loci (eQTLs) in 13 tissues via joint analysis of SVs, single nucleotide (SNV) and short insertion/deletion (indel) variants. We identified 24,801 eQTLs affecting the expression of 10,101 distinct genes. Based on haplotype structure and heritability partitioning, we estimate that SVs are the causal variant at 3.3-7.0% of eQTLs, which is nearly an order of magnitude higher than prior estimates from low coverage WGS and represents a 26- to 54-fold enrichment relative to their scarcity in the genome. Expression-altering SVs also have significantly larger effect sizes than SNVs and indels. We identified 787 putatively causal SVs predicted to directly alter gene expression, most of which (88.3%) are noncoding variants that show significant enrichment at enhancers and other regulatory elements. By evaluating linkage disequilibrium between SVs, SNVs and indels, we nominate 49 SVs as plausible causal variants at published genome-wide association study (GWAS) loci. Remarkably, 29.9% of the common SV-eQTLs are not well tagged by flanking SNVs, and we observe a notable abundance (relative to SNVs and indels) of rare, high impact SVs associated with aberrant expression of nearby genes. These results suggest that comprehensive WGS-based SV analyses will increase the power of both common and rare variant association studies.

While many disease-associated variants have been identified through genome-wide association studies, their downstream molecular consequences remain unclear. To identify these effects, we performed cis- and trans-expression quantitative trait locus (eQTL) analysis in blood from 31,684 individuals through the eQTLGen Consortium. We observed that cis-eQTLs can be detected for 88% of the studied genes, but that they have a different genetic architecture compared to disease-associated variants, limiting our ability to use cis-eQTLs to pinpoint causal genes within susceptibility loci. In contrast, trans-eQTLs (detected for 37% of 10,317 studied trait-associated variants) were more informative. Multiple unlinked variants, associated to the same complex trait, often converged on trans-genes that are known to play central roles in disease etiology. We observed the same when ascertaining the effect of polygenic scores calculated for 1,263 genome-wide association study (GWAS) traits. Expression levels of 13% of the studied genes correlated with polygenic scores, and many resulting genes are known to drive these traits.

Transcriptome-wide association studies integrate gene expression data with common risk variation to identify gene-trait associations. By incorporating epigenome data to estimate the functional importance of genetic variation on gene expression, we improve the accuracy of transcriptome prediction and the power to detect significant expression-trait associations. Joint analysis of 14 large-scale transcriptome datasets and 58 traits identify 13,724 significant expression-trait associations that converge to biological processes and relevant phenotypes in human and mouse phenotype databases. We perform drug repurposing analysis and identify known and novel compounds that mimic or reverse trait-specific changes. We identify genes that exhibit agonistic pleiotropy for genetically correlated traits that converge on shared biological pathways and elucidate distinct processes in disease etiopathogenesis. Overall, this comprehensive analysis provides insight into the specificity and convergence of gene expression on susceptibility to complex traits.

Rare genetic variants are abundant in humans yet their functional effects are often unknown and challenging to predict. The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project provides a unique opportunity to identify the functional impact of rare variants through combined analyses of whole genomes and multi-tissue RNA-sequencing data. Here, we identify gene expression outliers, or individuals with extreme expression levels, across 44 human tissues, and characterize the contribution of rare variation to these large changes in expression. We find 58% of underexpression and 28% of overexpression outliers have underlying rare variants compared with 9% of non-outliers. Large expression effects are enriched for proximal loss-of-function, splicing, and structural variants, particularly variants near the TSS and at evolutionarily conserved sites. Known disease genes have expression outliers, underscoring that rare variants can contribute to genetic disease risk. To prioritize functional rare regulatory variants, we develop RIVER, a Bayesian approach that integrates RNA and whole genome sequencing data from the same individual. RIVER predicts functional variants significantly better than models using genomic annotations alone, and is an extensible tool for personal genome interpretation. Overall, we demonstrate that rare variants contribute to large gene expression changes across tissues with potential health consequences, and provide an integrative method for interpreting rare variants in individual genomes.