Host-mediated lung inflammation is present1, and drives mortality2, in the critical illness caused by coronavirus disease 2019 (COVID-19). Host genetic variants associated with critical illness may identify mechanistic targets for therapeutic development3. Here we report the results of the GenOMICC (Genetics Of Mortality In Critical Care) genome-wide association study in 2,244 critically ill patients with COVID-19 from 208 UK intensive care units. We have identified and replicated the following new genome-wide significant associations: on chromosome 12q24.13 (rs10735079, P = 1.65 × 10-8) in a gene cluster that encodes antiviral restriction enzyme activators (OAS1, OAS2 and OAS3); on chromosome 19p13.2 (rs74956615, P = 2.3 × 10-8) near the gene that encodes tyrosine kinase 2 (TYK2); on chromosome 19p13.3 (rs2109069, P = 3.98 × 10-12) within the gene that encodes dipeptidyl peptidase 9 (DPP9); and on chromosome 21q22.1 (rs2236757, P = 4.99 × 10-8) in the interferon receptor gene IFNAR2. We identified potential targets for repurposing of licensed medications: using Mendelian randomization, we found evidence that low expression of IFNAR2, or high expression of TYK2, are associated with life-threatening disease; and transcriptome-wide association in lung tissue revealed that high expression of the monocyte-macrophage chemotactic receptor CCR2 is associated with severe COVID-19. Our results identify robust genetic signals relating to key host antiviral defence mechanisms and mediators of inflammatory organ damage in COVID-19. Both mechanisms may be amenable to targeted treatment with existing drugs. However, large-scale randomized clinical trials will be essential before any change to clinical practice.

Fine structural details of glycans attached to the conserved N-glycosylation site significantly not only affect function of individual immunoglobulin G (IgG) molecules but also mediate inflammation at the systemic level. By analyzing IgG glycosylation in 5,117 individuals from four European populations, we have revealed very complex patterns of changes in IgG glycosylation with age. Several IgG glycans (including FA2B, FA2G2, and FA2BG2) changed considerably with age and the combination of these three glycans can explain up to 58% of variance in chronological age, significantly more than other markers of biological age like telomere lengths. The remaining variance in these glycans strongly correlated with physiological parameters associated with biological age. Thus, IgG glycosylation appears to be closely linked with both chronological and biological ages. Considering the important role of IgG glycans in inflammation, and because the observed changes with age promote inflammation, changes in IgG glycosylation also seem to represent a factor contributing to aging.

Abstract Critical COVID-19 is caused by immune-mediated inflammatory lung injury. Host genetic variation influences the development of illness requiring critical care 1 or hospitalization 2–4 after infection with SARS-CoV-2. The GenOMICC (Genetics of Mortality in Critical Care) study enables the comparison of genomes from individuals who are critically ill with those of population controls to find underlying disease mechanisms. Here we use whole-genome sequencing in 7,491 critically ill individuals compared with 48,400 controls to discover and replicate 23 independent variants that significantly predispose to critical COVID-19. We identify 16 new independent associations, including variants within genes that are involved in interferon signalling ( IL10RB and PLSCR1 ), leucocyte differentiation ( BCL11A ) and blood-type antigen secretor status ( FUT2 ). Using transcriptome-wide association and colocalization to infer the effect of gene expression on disease severity, we find evidence that implicates multiple genes—including reduced expression of a membrane flippase ( ATP11A ), and increased expression of a mucin ( MUC1 )—in critical disease. Mendelian randomization provides evidence in support of causal roles for myeloid cell adhesion molecules ( SELE , ICAM5 and CD209 ) and the coagulation factor F8 , all of which are potentially druggable targets. Our results are broadly consistent with a multi-component model of COVID-19 pathophysiology, in which at least two distinct mechanisms can predispose to life-threatening disease: failure to control viral replication; or an enhanced tendency towards pulmonary inflammation and intravascular coagulation. We show that comparison between cases of critical illness and population controls is highly efficient for the detection of therapeutically relevant mechanisms of disease.

Estimates from genome-wide association studies (GWAS) of unrelated individuals capture effects of inherited variation (direct effects), demography (population stratification, assortative mating) and relatives (indirect genetic effects). Family-based GWAS designs can control for demographic and indirect genetic effects, but large-scale family datasets have been lacking. We combined data from 178,086 siblings from 19 cohorts to generate population (between-family) and within-sibship (within-family) GWAS estimates for 25 phenotypes. Within-sibship GWAS estimates were smaller than population estimates for height, educational attainment, age at first birth, number of children, cognitive ability, depressive symptoms and smoking. Some differences were observed in downstream SNP heritability, genetic correlations and Mendelian randomization analyses. For example, the within-sibship genetic correlation between educational attainment and body mass index attenuated towards zero. In contrast, analyses of most molecular phenotypes (for example, low-density lipoprotein-cholesterol) were generally consistent. We also found within-sibship evidence of polygenic adaptation on taller height. Here, we illustrate the importance of family-based GWAS data for phenotypes influenced by demographic and indirect genetic effects.

Abstract Estimates from genome-wide association studies (GWAS) represent a combination of the effect of inherited genetic variation (direct effects), demography (population stratification, assortative mating) and genetic nurture from relatives (indirect genetic effects). GWAS using family-based designs can control for demography and indirect genetic effects, but large-scale family datasets have been lacking. We combined data on 159,701 siblings from 17 cohorts to generate population (between-family) and within-sibship (within-family) estimates of genome-wide genetic associations for 25 phenotypes. We demonstrate that existing GWAS associations for height, educational attainment, smoking, depressive symptoms, age at first birth and cognitive ability overestimate direct effects. We show that estimates of SNP-heritability, genetic correlations and Mendelian randomization involving these phenotypes substantially differ when calculated using within-sibship estimates. For example, genetic correlations between educational attainment and height largely disappear. In contrast, analyses of most clinical phenotypes (e.g. LDL-cholesterol) were generally consistent between population and within-sibship models. We also report compelling evidence of polygenic adaptation on taller human height using within-sibship data. Large-scale family datasets provide new opportunities to quantify direct effects of genetic variation on human traits and diseases.

Post-translational modifications (PTMs) diversify protein functions and dynamically coordinate their signalling networks, influencing most aspects of cell physiology. Nevertheless, their genetic regulation or influence on complex traits is not fully understood. Here, we compare for the first time the genetic regulation of the same PTM of two proteins – glycosylation of transferrin and immunoglobulin G (IgG). By performing genome-wide association analysis of transferrin glycosylation, we identified 10 significantly associated loci, all novel. Comparing these with IgG glycosylation-associated genes, we note protein-specific associations with genes encoding glycosylation enzymes (transferrin - MGAT5, ST3GAL4, B3GAT1 ; IgG - MGAT3, ST6GAL1 ) as well as shared associations ( FUT6, FUT8 ). Colocalisation analyses of the latter suggest that different causal variants in the FUT genes regulate fucosylation of the two proteins. We propose that they affect the binding of different transcription factors in different tissues, with fucosylation of IgG being regulated by IKZF1 in B-cells and of transferrin by HNF1A in liver.

Abstract Biological age (BA), a measure of functional capacity and prognostic of health outcomes that discriminates between individuals of the same chronological age (chronAge), has been estimated using a variety of biomarkers. Previous comparative studies have mainly used epigenetic models (clocks), we use ~1000 participants to create eleven omics ageing clocks, with correlations of 0.45-0.97 with chronAge, even with substantial sub-setting of biomarkers. These clocks track common aspects of ageing with 94% of the variance in chronAge being shared among clocks. The difference between BA and chronAge - omics clock age acceleration (OCAA) - often associates with health measures. One year’s OCAA typically has the same effect on risk factors/10-year disease incidence as 0.46/0.45 years of chronAge. Epigenetic and IgG glycomics clocks appeared to track generalised ageing while others capture specific risks. We conclude BA is measurable and prognostic and that future work should prioritise health outcomes over chronAge.

Glycosylation is a common post-translational modification of proteins. It is known, that glycans are directly involved in the pathophysiology of every major disease. Defining genetic factors altering glycosylation may provide a basis for novel approaches to diagnostic and pharmaceutical applications. Here, we report a genome-wide association study of the human blood plasma N-glycome composition in up to 3811 people. We discovered and replicated twelve loci. This allowed us to demonstrate a clear overlap in genetic control between total plasma and IgG glycosylation. Majority of loci contained genes that encode enzymes directly involved in glycosylation (FUT3/FUT6, FUT8, B3GAT1, ST6GAL1, B4GALT1, ST3GAL4, MGAT3, and MGAT5). We, however, also found loci that are likely to reflect other, more complex, aspects of plasma glycosylation process. Functional genomic annotation suggested the role of DERL3, which potentially highlights the role of glycoprotein degradation pathway, and such transcription factor as IKZF1.

Human population isolates provide a snapshot of the impact of historical demographic processes on population genetics. Such data facilitate studies of the functional impact of rare sequence variants on biomedical phenotypes, as strong genetic drift can result in higher frequencies of variants that are otherwise rare. We present the first whole genome sequencing (WGS) study of the VIKING cohort, a representative collection of samples from the isolated Shetland population in northern Scotland, and explore how its genetic characteristics compare to a mainland Scottish population. Our analyses reveal the strong contributions played by the founder effect and genetic drift in shaping genomic variation in the VIKING cohort. About one tenth of all high-quality variants discovered are unique to the VIKING cohort or are seen at frequencies at least ten fold higher than in more cosmopolitan control populations. Multiple lines of evidence also suggest relaxation of purifying selection during the evolutionary history of the Shetland isolate. We demonstrate enrichment of ultra-rare VIKING variants in exonic regions and for the first time we also show that ultra-rare variants are enriched within regulatory regions, particularly promoters, suggesting that gene expression patterns may diverge relatively rapidly in human isolates.Author Summary Population isolates provide a valuable window on the roles of rare genetic variation in human phenotypes, as a result of their unusual evolutionary histories, that often lead to relatively high frequencies of variants that are exceptionally rare elsewhere. Such populations show increased levels of background relatedness among individuals and are often subject to stronger genetic drift, leading to a higher frequency of deleterious variants. Here, for the first time, we present whole genome sequencing data from the Shetland population in Northern Scotland, encompassing 500 individuals, and compare these genomes to the mainland Scottish population. As expected we find the imprint of Shetland population history in the Shetland genome, with strong evidence for founder effects and genetic drift, but we also discover a relaxation of selective constraint across the genome. These influences have combined to endow the Shetland genome with thousands of ultra-rare genetic variants, not observed previously in other populations. Surprisingly these variants are significantly enriched in functional regions including protein coding regions of genes and regulatory elements. Among regulatory regions, promoters are particularly enriched for ultra-rare variants, suggesting the potential for rapid divergence of gene expression in isolates.

Adult lung function is highly heritable and 279 genetic loci were recently reported as associated with spirometry-based measures of lung function. Though lung development and function differ between males and females throughout life, there has been no genome-wide study to identify genetic variants with differential effects on lung function in males and females. Here, we present the first genome-wide genotype-by-sex interaction study on four lung function traits in 303,612 participants from the UK Biobank. We detected five SNPs showing genome-wide significant (P<5 x 10-8) interactions with sex on lung function, as well as 21 suggestively significant interactions (P<1 x 10-6). The strongest sex interaction signal came from rs7697189 at 4:145436894 on forced expiratory volume in 1 second (FEV1) (P = 3.15 x 10-15), and was replicated (P = 0.016) in 75,696 individuals in the SpiroMeta consortium. Sex-stratified analyses demonstrated that the minor (C) allele of rs7697189 increased lung function to a greater extent in males than females (untransformed FEV1 β = 0.028 [SE 0.0022] litres in males vs β = 0.009 [SE 0.0014] litres in females), and this effect was not accounted for by differential effects on height, smoking or age at puberty. This SNP resides upstream of the gene encoding hedgehog-interacting protein (HHIP) and has previously been reported for association with lung function and HHIP expression in lung tissue. In our analyses, while HHIP expression in lung tissue was significantly different between the sexes with females having higher expression (most significant probeset P=6.90 x 10-6) after adjusting for age and smoking, rs7697189 did not demonstrate sex differential effects on expression. Establishing the mechanism by which HHIP SNPs have different effects on lung function in males and females will be important for our understanding of lung health and diseases, such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD), in both sexes.