The laboratory mouse shares the majority of its protein-coding genes with humans, making it the premier model organism in biomedical research, yet the two mammals differ in significant ways. To gain greater insights into both shared and species-specific transcriptional and cellular regulatory programs in the mouse, the Mouse ENCODE Consortium has mapped transcription, DNase I hypersensitivity, transcription factor binding, chromatin modifications and replication domains throughout the mouse genome in diverse cell and tissue types. By comparing with the human genome, we not only confirm substantial conservation in the newly annotated potential functional sequences, but also find a large degree of divergence of sequences involved in transcriptional regulation, chromatin state and higher order chromatin organization. Our results illuminate the wide range of evolutionary forces acting on genes and their regulatory regions, and provide a general resource for research into mammalian biology and mechanisms of human diseases.

Most genome-wide association and fine-mapping studies to date have been conducted in individuals of European descent, and genetic studies of populations of Hispanic/Latino and African ancestry are limited. In addition, these populations have more complex linkage disequilibrium structure. In order to better define the genetic architecture of these understudied populations, we leveraged >100,000 phased sequences available from deep-coverage whole genome sequencing through the multi-ethnic NHLBI Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) program to impute genotypes into admixed African and Hispanic/Latino samples with genome-wide genotyping array data. We demonstrated that using TOPMed sequencing data as the imputation reference panel improves genotype imputation quality in these populations, which subsequently enhanced gene-mapping power for complex traits. For rare variants with minor allele frequency (MAF) < 0.5%, we observed a 2.3- to 6.1-fold increase in the number of well-imputed variants, with 11–34% improvement in average imputation quality, compared to the state-of-the-art 1000 Genomes Project Phase 3 and Haplotype Reference Consortium reference panels. Impressively, even for extremely rare variants with minor allele count <10 (including singletons) in the imputation target samples, average information content rescued was >86%. Subsequent association analyses of TOPMed reference panel-imputed genotype data with hematological traits (hemoglobin (HGB), hematocrit (HCT), and white blood cell count (WBC)) in ~21,600 African-ancestry and ~21,700 Hispanic/Latino individuals identified associations with two rare variants in the HBB gene (rs33930165 with higher WBC [p = 8.8x10-15] in African populations, rs11549407 with lower HGB [p = 1.5x10-12] and HCT [p = 8.8x10-10] in Hispanics/Latinos). By comparison, neither variant would have been genome-wide significant if either 1000 Genomes Project Phase 3 or Haplotype Reference Consortium reference panels had been used for imputation. Our findings highlight the utility of the TOPMed imputation reference panel for identification of novel rare variant associations not previously detected in similarly sized genome-wide studies of under-represented African and Hispanic/Latino populations.

Heritability, the proportion of phenotypic variance explained by genetic factors, can be estimated from pedigree data, but such estimates are uninformative with respect to the underlying genetic architecture. Analyses of data from genome-wide association studies (GWAS) on unrelated individuals have shown that for human traits and disease, approximately one-third to two-thirds of heritability is captured by common SNPs. It is not known whether the remaining heritability is due to the imperfect tagging of causal variants by common SNPs, in particular if the causal variants are rare, or other reasons such as over-estimation of heritability from pedigree data. Here we show that pedigree heritability for height and body mass index (BMI) appears to be fully recovered from whole-genome sequence (WGS) data on 21,620 unrelated individuals of European ancestry. We assigned 47.1 million genetic variants to groups based upon their minor allele frequencies (MAF) and linkage disequilibrium (LD) with variants nearby, and estimated and partitioned variation accordingly. The estimated heritability was 0.79 (SE 0.09) for height and 0.40 (SE 0.09) for BMI, consistent with pedigree estimates. Low-MAF variants in low LD with neighbouring variants were enriched for heritability, to a greater extent for protein altering variants, consistent with negative selection thereon. Cumulatively variants in the MAF range of 0.0001 to 0.1 explained 0.54 (SE 0.05) and 0.51 (SE 0.11) of heritability for height and BMI, respectively. Our results imply that the still missing heritability of complex traits and disease is accounted for by rare variants, in particular those in regions of low LD.

Most genome-wide association and fine-mapping studies to date have been conducted in individuals of European descent, and genetic studies of populations of Hispanic/Latino and African ancestry are still limited. In addition to the limited inclusion of these populations in genetic studies, these populations have more complex linkage disequilibrium structure that may reduce the number of variants associated with a phenotype. In order to better define the genetic architecture of these understudied populations, we leveraged >100,000 phased sequences available from deep-coverage whole genome sequencing through the multi-ethnic NHLBI Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) program to impute genotypes into admixed African and Hispanic/Latino samples with commercial genome-wide genotyping array data. We demonstrate that using TOPMed sequencing data as the imputation reference panel improves genotype imputation quality in these populations, which subsequently enhances gene-mapping power for complex traits. For rare variants with minor allele frequency (MAF) < 0.5%, we observed a 2.3 to 6.1-fold increase in the number of well-imputed variants, with 11-34% improvement in average imputation quality, compared to the state-of-the-art 1000 Genomes Project Phase 3 and Haplotype Reference Consortium reference panels, respectively. Impressively, even for extremely rare variants with sample minor allele count <10 (including singletons) in the imputation target samples, average information content rescued was >86%. Subsequent association analyses of TOPMed reference panel-imputed genotype data with hematological traits (hemoglobin (HGB), hematocrit (HCT), and white blood cell count (WBC)) in ~20,000 self-identified African descent individuals and ~23,000 self-identified Hispanic/Latino individuals identified associations with two rare variants in the HBB gene (rs33930165 with higher WBC (p=8.1×10−12) in African populations, rs11549407 with lower HGB (p=1.59×10−12) and HCT (p=1.13×10−9) in Hispanics/Latinos). By comparison, neither variant would have been genome-wide significant if either 1000 Genomes Project Phase 3 or Haplotype Reference Consortium reference panels had been used for imputation. Our findings highlight the utility of TOPMed imputation reference panel for identification of novel associations between rare variants and complex traits not previously detected in similar sized genome-wide studies of under-represented African and Hispanic/Latino populations.Author summary Admixed African and Hispanic/Latino populations remain understudied in genome-wide association and fine-mapping studies of complex diseases. These populations have more complex linkage disequilibrium (LD) structure that can impair mapping of variants associated with complex diseases and their risk factors. Genotype imputation represents an approach to improve genome coverage, especially for rare or ancestry-specific variation; however, these understudied populations also have smaller relevant imputation reference panels that need to be expanded to represent their more complex LD patterns. In this study, we leveraged >100,000 phased sequences generated from the multi-ethnic NHLBI TOPMed project to impute in admixed cohorts encompassing ~20,000 individuals of African ancestry (AAs) and ~23,000 Hispanics/Latinos. We demonstrated substantially higher imputation quality for low frequency and rare variants in comparison to the state-of-the-art reference panels (1000 Genomes Project and Haplotype Reference Consortium). Association analyses of ~35 million (AAs) and ~27 million (Hispanics/Latinos) variants passing stringent post-imputation filtering with quantitative hematological traits led to the discovery of associations with two rare variants in the HBB gene; one of these variants was replicated in an independent sample, and the other is known to cause anemia in the homozygous state. By comparison, the same HBB variants would not have been genome-wide significant using other state-of-the-art reference panels due to lower imputation quality. Our findings demonstrate the power of the TOPMed whole genome sequencing data for imputation and subsequent association analysis in admixed African and Hispanic/Latino populations.

Hemoglobin A1c (HbA1c) is widely used to diagnose diabetes and assess glycemic control in patients with diabetes. However, nonglycemic determinants, including genetic variation, may influence how accurately HbA1c reflects underlying glycemia. Analyzing the NHLBI Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) sequence data in 10,338 individuals from five studies and four ancestries (6,158 Europeans, 3,123 African-Americans, 650 Hispanics and 407 East Asians), we confirmed five regions associated with HbA1c ( GCK in Europeans and African-Americans, HK1 in Europeans and Hispanics, FN3K / FN3KRP in Europeans and G6PD in African-Americans and Hispanics) and discovered a new African-ancestry specific low-frequency variant (rs1039215 in HBG2 / HBE1 , minor allele frequency (MAF)=0.03). The most associated G6PD variant (p.Val98Met, rs1050828-T, MAF=12% in African-Americans, MAF=2% in Hispanics) lowered HbA1c (-0.88% in hemizygous males, -0.34% in heterozygous females) and explained 23% of HbA1c variance in African-Americans and 4% in Hispanics. Additionally, we identified a rare distinct G6PD coding variant (rs76723693 - p.Leu353Pro, MAF=0.5%; -0.98% in hemizygous males, -0.46% in heterozygous females) and detected significant association with HbA1c when aggregating rare missense variants in G6PD . We observed similar magnitude and direction of effects for rs1039215 ( HBG2 ) and rs76723693 ( G6PD ) in the two largest TOPMed African-American cohorts and replicated the rs76723693 association in the UK Biobank African-ancestry participants. These variants in G6PD and HBG2 were monomorphic in the European and Asian samples. African or Hispanic ancestry individuals carrying G6PD variants may be underdiagnosed for diabetes when screened with HbA1c. Thus, assessment of these variants should be considered for incorporation into precision medicine approaches for diabetes diagnosis.

Telomeres shorten in replicating somatic cells and with age; in human leukocytes, telomere length (TL) is associated with a host of aging-related diseases. To date, 16 genome-wide association studies (GWAS) have identified twenty-three loci associated with leukocyte TL, but prior studies were primarily in individuals of European and Asian ancestry and relied on laboratory assays including Southern Blot and qPCR to quantify TL. Here, we estimated TL bioinformatically, leveraging whole genome sequencing (WGS) of whole blood from n=75,176 subjects in the Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) Program. We performed the largest multi-ethnic and only WGS-based genome-wide association analysis of TL to date. We identified 22 associated loci (p-value <5x10-8), including 10 novel loci. Three of the novel loci map to genes involved in telomere maintenance and/or DNA damage repair: TERF2, RFWD3, and SAMHD1. Many of the 99 pathways identified in gene set enrichment analysis for the 22 loci (multiple-testing corrected false discovery rate (FDR) <0.05) pertain to telomere biology, including the top five (FDR<1x10-9). Importantly, several loci, including the recently identified TINF2 and ATM loci, showed strong ancestry-specific associations.