Abstract The Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) programme seeks to elucidate the genetic architecture and biology of heart, lung, blood and sleep disorders, with the ultimate goal of improving diagnosis, treatment and prevention of these diseases. The initial phases of the programme focused on whole-genome sequencing of individuals with rich phenotypic data and diverse backgrounds. Here we describe the TOPMed goals and design as well as the available resources and early insights obtained from the sequence data. The resources include a variant browser, a genotype imputation server, and genomic and phenotypic data that are available through dbGaP (Database of Genotypes and Phenotypes) 1 . In the first 53,831 TOPMed samples, we detected more than 400 million single-nucleotide and insertion or deletion variants after alignment with the reference genome. Additional previously undescribed variants were detected through assembly of unmapped reads and customized analysis in highly variable loci. Among the more than 400 million detected variants, 97% have frequencies of less than 1% and 46% are singletons that are present in only one individual (53% among unrelated individuals). These rare variants provide insights into mutational processes and recent human evolutionary history. The extensive catalogue of genetic variation in TOPMed studies provides unique opportunities for exploring the contributions of rare and noncoding sequence variants to phenotypic variation. Furthermore, combining TOPMed haplotypes with modern imputation methods improves the power and reach of genome-wide association studies to include variants down to a frequency of approximately 0.01%.

Abstract Large-scale gene sequencing studies for complex traits have the potential to identify causal genes with therapeutic implications. We performed gene-based association testing of blood lipid levels with rare (minor allele frequency<1%) predicted damaging coding variation using sequence data from >170,000 individuals from multiple ancestries: 97,493 European, 30,025 South Asian, 16,507 African, 16,440 Hispanic/Latino, 10,420 East Asian, and 1,182 Samoan. We identified 35 genes associated with circulating lipid levels. Ten of these: ALB , SRSF2 , JAK2, CREB3L3 , TMEM136 , VARS , NR1H3 , PLA2G12A , PPARG and STAB1 have not been implicated for lipid levels using rare coding variation in population-based samples. We prioritize 32 genes identified in array-based genome-wide association study (GWAS) loci based on gene-based associations, of which three: EVI5, SH2B3 , and PLIN1 , had no prior evidence of rare coding variant associations. Most of the associated genes showed evidence of association in multiple ancestries. Also, we observed an enrichment of gene-based associations for low-density lipoprotein cholesterol drug target genes, and for genes closest to GWAS index single nucleotide polymorphisms (SNP). Our results demonstrate that gene-based associations can be beneficial for drug target development and provide evidence that the gene closest to the array-based GWAS index SNP is often the functional gene for blood lipid levels.

Genotype-phenotype association studies often combine phenotype data from multiple studies to increase power. Harmonization of the data usually requires substantial effort due to heterogeneity in phenotype definitions, study design, data collection procedures, and data set organization. Here we describe a centralized system for phenotype harmonization that includes input from phenotype domain and study experts, quality control, documentation, reproducible results, and data sharing mechanisms. This system was developed for the National Heart, Lung and Blood Institute’s Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) program, which is generating genomic and other omics data for >80 studies with extensive phenotype data. To date, 63 phenotypes have been harmonized across thousands of participants from up to 17 TOPMed studies per phenotype. We discuss the challenges faced in this undertaking and how they were addressed. The harmonized phenotype data and associated documentation have been submitted to National Institutes of Health data repositories for controlled-access by the scientific community. We also provide materials to facilitate future harmonization efforts by the community, which include (1) the code used to generate the 63 harmonized phenotypes, enabling others to reproduce, modify or extend these harmonizations to additional studies; and (2) results of labeling thousands of phenotype variables with controlled vocabulary terms.

Mechanistic processes underlying human germline mutations remain largely unknown. Variation in mutation rate and spectra along the genome is informative about the biological mechanisms. We statistically decompose this variation into separate processes using a blind source separation technique. The analysis of a large-scale whole genome sequencing dataset (TOPMed) reveals nine processes that explain the variation in mutation properties between loci. Seven of these processes lend themselves to a biological interpretation. One process is driven by bulky DNA lesions that resolve asymmetrically with respect to transcription and replication. Two processes independently track direction of replication fork and replication timing. We identify a mutagenic effect of active demethylation primarily acting in regulatory regions. We also demonstrate that a recently discovered mutagenic process specific to oocytes can be localized solely from population sequencing data. This process is spread across all chromosomes and is highly asymmetric with respect to the direction of transcription, suggesting a major role of DNA damage.

The Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) program seeks to elucidate the genetic architecture and disease biology of heart, lung, blood, and sleep disorders, with the ultimate goal of improving diagnosis, treatment, and prevention. The initial phases of the program focus on whole genome sequencing of individuals with rich phenotypic data and diverse backgrounds. Here, we describe TOPMed goals and design as well as resources and early insights from the sequence data. The resources include a variant browser, a genotype imputation panel, and sharing of genomic and phenotypic data via dbGaP. In 53,581 TOPMed samples, >400 million single-nucleotide and insertion/deletion variants were detected by alignment with the reference genome. Additional novel variants are detectable through assembly of unmapped reads and customized analysis in highly variable loci. Among the >400 million variants detected, 97% have frequency <1% and 46% are singletons. These rare variants provide insights into mutational processes and recent human evolutionary history. The nearly complete catalog of genetic variation in TOPMed studies provides unique opportunities for exploring the contributions of rare and non-coding sequence variants to phenotypic variation. Furthermore, combining TOPMed haplotypes with modern imputation methods improves the power and extends the reach of nearly all genome-wide association studies to include variants down to ~0.01% in frequency.