The study of cell-population heterogeneity in a range of biological systems, from viruses to bacterial isolates to tumor samples, has been transformed by recent advances in sequencing throughput. While the high-coverage afforded can be used, in principle, to identify very rare variants in a population, existing ad hoc approaches frequently fail to distinguish true variants from sequencing errors. We report a method (LoFreq) that models sequencing run-specific error rates to accurately call variants occurring in <0.05% of a population. Using simulated and real datasets (viral, bacterial and human), we show that LoFreq has near-perfect specificity, with significantly improved sensitivity compared with existing methods and can efficiently analyze deep Illumina sequencing datasets without resorting to approximations or heuristics. We also present experimental validation for LoFreq on two different platforms (Fluidigm and Sequenom) and its application to call rare somatic variants from exome sequencing datasets for gastric cancer. Source code and executables for LoFreq are freely available at http://sourceforge.net/projects/lofreq/.

Jane Worthington and colleagues use a high-density genotyping chip to identify new susceptibility loci for rheumatoid arthritis and examine genetic overlap with other autoimmune diseases. Their results increase the number of confirmed rheumatoid arthritis risk loci in individuals of European ancestry and refine the location of many previously identified association signals to single genes. Using the Immunochip custom SNP array, which was designed for dense genotyping of 186 loci identified through genome-wide association studies (GWAS), we analyzed 11,475 individuals with rheumatoid arthritis (cases) of European ancestry and 15,870 controls for 129,464 markers. We combined these data in a meta-analysis with GWAS data from additional independent cases (n = 2,363) and controls (n = 17,872). We identified 14 new susceptibility loci, 9 of which were associated with rheumatoid arthritis overall and five of which were specifically associated with disease that was positive for anticitrullinated peptide antibodies, bringing the number of confirmed rheumatoid arthritis risk loci in individuals of European ancestry to 46. We refined the peak of association to a single gene for 19 loci, identified secondary independent effects at 6 loci and identified association to low-frequency variants at 4 loci. Bioinformatic analyses generated strong hypotheses for the causal SNP at seven loci. This study illustrates the advantages of dense SNP mapping analysis to inform subsequent functional investigations.

John Chambers and colleagues report a genome-wide association study for type 2 diabetes in individuals of south Asian ancestry. They identify six loci newly associated with type 2 diabetes. We carried out a genome-wide association study of type-2 diabetes (T2D) in individuals of South Asian ancestry. Our discovery set included 5,561 individuals with T2D (cases) and 14,458 controls drawn from studies in London, Pakistan and Singapore. We identified 20 independent SNPs associated with T2D at P < 10−4 for testing in a replication sample of 13,170 cases and 25,398 controls, also all of South Asian ancestry. In the combined analysis, we identified common genetic variants at six loci (GRB14, ST6GAL1, VPS26A, HMG20A, AP3S2 and HNF4A) newly associated with T2D (P = 4.1 × 10−8 to P = 1.9 × 10−11). SNPs at GRB14 were also associated with insulin sensitivity (P = 5.0 × 10−4), and SNPs at ST6GAL1 and HNF4A were also associated with pancreatic beta-cell function (P = 0.02 and P = 0.001, respectively). Our findings provide additional insight into mechanisms underlying T2D and show the potential for new discovery from genetic association studies in South Asians, a population with increased susceptibility to T2D.

Toll-like receptors (TLRs) and members of their signaling pathway are important in the initiation of the innate immune response to a wide variety of pathogens1,2,3. The adaptor protein Mal (also known as TIRAP), encoded by TIRAP (MIM 606252), mediates downstream signaling of TLR2 and TLR4 (refs. 4–6). We report a case-control study of 6,106 individuals from the UK, Vietnam and several African countries with invasive pneumococcal disease, bacteremia, malaria and tuberculosis. We genotyped 33 SNPs, including rs8177374, which encodes a leucine substitution at Ser180 of Mal. We found that heterozygous carriage of this variant associated independently with all four infectious diseases in the different study populations. Combining the study groups, we found substantial support for a protective effect of S180L heterozygosity against these infectious diseases (N = 6,106; overall P = 9.6 × 10−8). We found that the Mal S180L variant attenuated TLR2 signal transduction.

John Chambers, Jaspal Kooner, Pim van der Harst, Shyong Tai, Paul Elliott, Jiang He, Norihiro Kato and colleagues performed a genome-wide association study of blood pressure phenotypes in individuals of European, East Asian and South Asian ancestry. They find trait-associated SNPs at 12 loci, some of which are associated with methylation at nearby CpG sites. We carried out a trans-ancestry genome-wide association and replication study of blood pressure phenotypes among up to 320,251 individuals of East Asian, European and South Asian ancestry. We find genetic variants at 12 new loci to be associated with blood pressure (P = 3.9 × 10−11 to 5.0 × 10−21). The sentinel blood pressure SNPs are enriched for association with DNA methylation at multiple nearby CpG sites, suggesting that, at some of the loci identified, DNA methylation may lie on the regulatory pathway linking sequence variation to blood pressure. The sentinel SNPs at the 12 new loci point to genes involved in vascular smooth muscle (IGFBP3, KCNK3, PDE3A and PRDM6) and renal (ARHGAP24, OSR1, SLC22A7 and TBX2) function. The new and known genetic variants predict increased left ventricular mass, circulating levels of NT-proBNP, and cardiovascular and all-cause mortality (P = 0.04 to 8.6 × 10−6). Our results provide new evidence for the role of DNA methylation in blood pressure regulation.

Human pluripotent stem cell-derived kidney organoids recapitulate developmental processes and tissue architecture, but intrinsic limitations, such as lack of vasculature and functionality, have greatly hampered their application. Here we establish a versatile protocol for generating vascularized three-dimensional (3D) kidney organoids. We employ dynamic modulation of WNT signaling to control the relative proportion of proximal versus distal nephron segments, producing a correlative level of vascular endothelial growth factor A (VEGFA) to define a resident vascular network. Single-cell RNA sequencing identifies a subset of nephron progenitor cells as a potential source of renal vasculature. These kidney organoids undergo further structural and functional maturation upon implantation. Using this kidney organoid platform, we establish an in vitro model of autosomal recessive polycystic kidney disease (ARPKD), the cystic phenotype of which can be effectively prevented by gene correction or drug treatment. Our studies provide new avenues for studying human kidney development, modeling disease pathogenesis, and performing patient-specific drug validation.

Importance

 Observational studies have shown associations of birth weight with type 2 diabetes (T2D) and glycemic traits, but it remains unclear whether these associations represent causal associations. 

Objective

 To test the association of birth weight with T2D and glycemic traits using a mendelian randomization analysis. 

Design, Setting, and Participants

 This mendelian randomization study used a genetic risk score for birth weight that was constructed with 7 genome-wide significant single-nucleotide polymorphisms. The associations of this score with birth weight and T2D were tested in a mendelian randomization analysis using study-level data. The association of birth weight with T2D was tested using both study-level data (7 single-nucleotide polymorphisms were used as an instrumental variable) and summary-level data from the consortia (43 single-nucleotide polymorphisms were used as an instrumental variable). Data from 180 056 participants from 49 studies were included. 

Main Outcomes and Measures

 Type 2 diabetes and glycemic traits. 

Results

 This mendelian randomization analysis included 49 studies with 41 155 patients with T2D and 80 008 control participants from study-level data and 34 840 patients with T2D and 114 981 control participants from summary-level data. Study-level data showed that a 1-SD decrease in birth weight due to the genetic risk score was associated with higher risk of T2D among all participants (odds ratio [OR], 2.10; 95% CI, 1.69-2.61;P = 4.03 × 10⁻⁵), among European participants (OR, 1.96; 95% CI, 1.42-2.71;P = .04), and among East Asian participants (OR, 1.39; 95% CI, 1.18-1.62;P = .04). Similar results were observed from summary-level analyses. In addition, each 1-SD lower birth weight was associated with 0.189 SD higher fasting glucose concentration (β = 0.189; SE = 0.060;P = .002), but not with fasting insulin, 2-hour glucose, or hemoglobin A_1cconcentration. 

Conclusions and Relevance

 In this study, a genetic predisposition to lower birth weight was associated with increased risk of T2D and higher fasting glucose concentration, suggesting genetic effects on retarded fetal growth and increased diabetes risk that either are independent of each other or operate through alterations of integrated biological mechanisms.

Abstract Host-cell chromatin changes are thought to play an important role in the pathogenesis of infectious diseases. Here, we describe the first histone acetylome-wide association study (HAWAS) of an infectious disease, based on genome-wide H3K27 acetylation profiling of peripheral granulocytes and monocytes from subjects with active Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) infection and healthy controls. We detected >2,000 differentially acetylated loci in either cell type in a Chinese discovery cohort, which were validated in a subsequent multi-ethnic cohort, thus demonstrating that HAWAS can be independently corroborated. Acetylation changes were correlated with differential gene expression in a third cohort. Differential acetylation was enriched near potassium channel genes, including KCNJ15 , which modulated Akt-mTOR signaling and promoted Mtb clearance in vitro. We performed histone acetylation QTL analysis on the dataset and identified candidate causal variants for immune phenotypes. Our study serves as proof-of-principle for HAWAS to infer mechanisms of host response to pathogens.