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.

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.

Cardiovascular diseases (CVD), and in particular cerebrovascular and ischemic heart diseases, are leading causes of death globally. Lowering circulating lipids is an important treatment strategy to reduce risk. However, some pharmaceutical mechanisms of reducing CVD may increase risk of fatty liver disease or other metabolic disorders. To identify potential novel therapeutic targets, which may reduce risk of CVD without increasing risk of metabolic disease, we focused on the simultaneous evaluation of quantitative traits related to liver function and CVD. Using a combination of low-coverage (5x) whole-genome sequencing and targeted genotyping, deep genotype imputation based on the TOPMed reference pane, and genome-wide association study (GWAS) meta-analysis, we analyzed 12 liver-related blood traits (including liver enzymes, blood lipids, and markers of iron metabolism) in up to 203,476 people from three population-based cohorts of different ancestries. We identified 88 likely causal protein-altering variants that were associated with one or more liver-related blood traits. We identified several loss-of-function (LoF) variants reducing low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C) or risk of CVD without increased risk of liver disease or diabetes, including variants in known lipid genes (e.g. APOB, LPL). A novel LoF variant, ZNF529:p.K405X, was associated with decreased levels of LDL-C (P=1.3x10-8) but demonstrated no association with liver enzymes or non-fasting blood glucose levels. Silencing of ZNF529 in human hepatocytes resulted in upregulation of LDL receptor (LDLR) and increased LDL-C uptake in the cells, suggesting that inhibition of ZNF529 or its gene product could be used for treating hypercholesterolemia and hence reduce the risk of CVD. Taken together, we demonstrate that simultaneous consideration of multiple phenotypes and a focus on rare protein-altering variants may identify promising therapeutic targets.

Abstract Telomere length genome-wide association studies (GWAS) have become well-powered to detect novel genes in telomere length regulation. However, no prior work has validated these putative novel genes to confirm the contribution of GWAS loci to telomere length regulation. We conducted a trans-ancestry meta-analysis of 211,369 individuals. Through enrichment analyses of chromatin state and cell-type heritability we identified blood and immune cells as the most relevant cell type to examine telomere length association signals. We validated specific GWAS associations by overexpressing KBTBD6 , a component of an E3 ubiquitin ligase complex, and POP5 , a component of the Ribonuclease P/MRP complex, and demonstrating that both lengthened telomeres as predicted by our statistical analyses. CRISPR/Cas9 deletion of the predicted causal regions of these association peaks in K562 immortalized blood cells reduced expression of these genes, demonstrating that these loci are related to transcriptional regulation of KBTBD6 and POP5 , respectively. Together our results demonstrate the utility of telomere length GWAS in the identification of novel telomere length regulation mechanisms and highlight the importance of the proteasome-ubiquitin pathway in telomere length regulation.

Abstract Relaxin/insulin-like family peptide receptor 1 (RXFP1) mediates relaxin’s antifibrotic effects and has reduced expression in the lung and skin of patients with fibrotic interstitial lung disease (fILD) including idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and systemic sclerosis (SSc). This may explain the failure of relaxin-based anti-fibrotic treatments in SSc, but the regulatory mechanisms controlling RXFP1 expression remain largely unknown. This study aimed to identify regulatory elements of RXFP1 that may function differentially in fibrotic fibroblasts. We identified and evaluated a distal regulatory region of RXFP1 in lung fibroblasts using a luciferase reporter system. Using serial deletions, an enhancer upregulating pGL3-promoter activity was localized to the distal region between -584 to -242bp from the distal transcription start site (TSS). This enhancer exhibited reduced activity in IPF and SSc lung fibroblasts. Bioinformatic analysis identified two clusters of activator protein 1 (AP-1) transcription factor binding sites within the enhancer. Site-directed mutagenesis of the binding sites confirmed that only one cluster reduced activity (−358 to -353 relative to distal TSS). Co-expression of FOS in lung fibroblasts further increased enhancer activity. In vitro complex formation with a labeled probe spanning the functional AP-1 site using nuclear proteins isolated from lung fibroblasts confirmed a specific DNA/protein complex formation. Application of antibodies against JUN and FOS resulted in the complex alteration, while antibodies to JUNB and FOSL1 did not. Analysis of AP-1 binding in 5 pairs of control and IPF lung fibroblasts detected positive binding more frequently in control fibroblasts. Expression of JUN and FOS was reduced and correlated positively with RXFP1 expression in IPF lungs. In conclusion, we identified a distal enhancer of RXFP1 with differential activity in fibrotic lung fibroblasts involving AP-1 transcription factors. Our study provides insight into RXFP1 downregulation in fILD and may support efforts to reevaluate relaxin-based therapeutics alongside upregulation of RXFP1 transcription.