Summary

Background

 Quantification of the disease burden caused by different risks informs prevention by providing an account of health loss different to that provided by a disease-by-disease analysis. No complete revision of global disease burden caused by risk factors has been done since a comparative risk assessment in 2000, and no previous analysis has assessed changes in burden attributable to risk factors over time. 

Methods

 We estimated deaths and disability-adjusted life years (DALYs; sum of years lived with disability [YLD] and years of life lost [YLL]) attributable to the independent effects of 67 risk factors and clusters of risk factors for 21 regions in 1990 and 2010. We estimated exposure distributions for each year, region, sex, and age group, and relative risks per unit of exposure by systematically reviewing and synthesising published and unpublished data. We used these estimates, together with estimates of cause-specific deaths and DALYs from the Global Burden of Disease Study 2010, to calculate the burden attributable to each risk factor exposure compared with the theoretical-minimum-risk exposure. We incorporated uncertainty in disease burden, relative risks, and exposures into our estimates of attributable burden. 

Findings

 In 2010, the three leading risk factors for global disease burden were high blood pressure (7·0% [95% uncertainty interval 6·2–7·7] of global DALYs), tobacco smoking including second-hand smoke (6·3% [5·5–7·0]), and household air pollution from solid fuels (4·3% [3·4–5·3]). In 1990, the leading risks were childhood underweight (7·9% [6·8–9·4]), household air pollution from solid fuels (HAP; 6·8% [5·5–8·0]), and tobacco smoking including second-hand smoke (6·1% [5·4–6·8]). Dietary risk factors and physical inactivity collectively accounted for 10·0% (95% UI 9·2–10·8) of global DALYs in 2010, with the most prominent dietary risks being diets low in fruits and those high in sodium. Several risks that primarily affect childhood communicable diseases, including unimproved water and sanitation and childhood micronutrient deficiencies, fell in rank between 1990 and 2010, with unimproved water and sanitation accounting for 0·9% (0·4–1·6) of global DALYs in 2010. However, in most of sub-Saharan Africa childhood underweight, HAP, and non-exclusive and discontinued breastfeeding were the leading risks in 2010, while HAP was the leading risk in south Asia. The leading risk factor in Eastern Europe, Andean Latin America, and southern sub-Saharan Africa in 2010 was alcohol use; in most of Asia, most of Latin America, North Africa and Middle East, and central Europe it was high blood pressure. Despite declines, tobacco smoking including second-hand smoke remained the leading risk in high-income north America and western Europe. High body-mass index has increased globally and it is the leading risk in Australasia and southern Latin America, and also ranks high in other high-income regions, North Africa and Middle East, and Oceania. 

Interpretation

 Worldwide, the contribution of different risk factors to disease burden has changed substantially, with a shift away from risks for communicable diseases in children towards those for non-communicable diseases in adults. These changes are related to the ageing population, decreased mortality among children younger than 5 years, changes in cause-of-death composition, and changes in risk factor exposures. New evidence has led to changes in the magnitude of key risks including unimproved water and sanitation, vitamin A and zinc deficiencies, and ambient particulate matter pollution. The extent to which the epidemiological shift has occurred and what the leading risks currently are varies greatly across regions. In much of sub-Saharan Africa, the leading risks are still those associated with poverty and those that affect children. 

Funding

 Bill & Melinda Gates Foundation.

Abstract Motivation: The recently released Infinium HumanMethylation450 array (the ‘450k’ array) provides a high-throughput assay to quantify DNA methylation (DNAm) at ∼450 000 loci across a range of genomic features. Although less comprehensive than high-throughput sequencing-based techniques, this product is more cost-effective and promises to be the most widely used DNAm high-throughput measurement technology over the next several years. Results: Here we describe a suite of computational tools that incorporate state-of-the-art statistical techniques for the analysis of DNAm data. The software is structured to easily adapt to future versions of the technology. We include methods for preprocessing, quality assessment and detection of differentially methylated regions from the kilobase to the megabase scale. We show how our software provides a powerful and flexible development platform for future methods. We also illustrate how our methods empower the technology to make discoveries previously thought to be possible only with sequencing-based methods. Availability and implementation: http://bioconductor.org/packages/release/bioc/html/minfi.html. Contact: khansen@jhsph.edu; rafa@jimmy.harvard.edu Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Somatic cell nuclear transfer and transcription-factor-based reprogramming revert adult cells to an embryonic state, and yield pluripotent stem cells that can generate all tissues. Through different mechanisms and kinetics, these two reprogramming methods reset genomic methylation, an epigenetic modification of DNA that influences gene expression, leading us to hypothesize that the resulting pluripotent stem cells might have different properties. Here we observe that low-passage induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived by factor-based reprogramming of adult murine tissues harbour residual DNA methylation signatures characteristic of their somatic tissue of origin, which favours their differentiation along lineages related to the donor cell, while restricting alternative cell fates. Such an ‘epigenetic memory’ of the donor tissue could be reset by differentiation and serial reprogramming, or by treatment of iPSCs with chromatin-modifying drugs. In contrast, the differentiation and methylation of nuclear-transfer-derived pluripotent stem cells were more similar to classical embryonic stem cells than were iPSCs. Our data indicate that nuclear transfer is more effective at establishing the ground state of pluripotency than factor-based reprogramming, which can leave an epigenetic memory of the tissue of origin that may influence efforts at directed differentiation for applications in disease modelling or treatment. Induced pluripotent stem (iPS) cells are produced by reprogramming differentiated adult cells using a cocktail of transcription factors. They share many properties that are characteristic of embryonic stem (ES) cells generated by somatic-cell nuclear transfer (SCNT), and of ES cells from naturally fertilized embryos. The three cell types are not identical, however, and an interesting difference has now been discovered: iPS cells retain an 'epigenetic memory' of the donor tissue from which they derive, whereas SCNT-based reprogramming resets the DNA-methylation state of adult cells so it is closer to the ES cell-like state. In a separate study, Ji et al. examine the role of specific DNA methylation marks in the developmental progression of particular cell lineages. They present a genome-wide DNA-methylation analysis of haematopoietic cell populations that reveals remarkable epigenetic plasticity. Changes in DNA methylation emerge as perhaps a principal factor directing cell-fate choices such as commitment to myeloid or lymphoid development. Pluripotent stem cells can be generated in the laboratory through somatic cell nuclear transfer (generating nuclear transfer embryonic stem cells, ntESCs) or transcription-factor-based reprogramming (producing induced pluripotent stem cells, iPSCs). These methods reset the methylation signature of the genome — but to what extent? Here it is found that mouse iPSCs 'remember' the methylation status of their tissue of origin, but the methylation of ntESCs is more similar to that of naturally produced ES cells.

An unbiased approach for the genome-wide detection of off-target cleavage by CRISPR-Cas9 RNA–guided nucleases reveals wide variability in the off-target activity of different guide RNAs. CRISPR RNA-guided nucleases (RGNs) are widely used genome-editing reagents, but methods to delineate their genome-wide, off-target cleavage activities have been lacking. Here we describe an approach for global detection of DNA double-stranded breaks (DSBs) introduced by RGNs and potentially other nucleases. This method, called genome-wide, unbiased identification of DSBs enabled by sequencing (GUIDE-seq), relies on capture of double-stranded oligodeoxynucleotides into DSBs. Application of GUIDE-seq to 13 RGNs in two human cell lines revealed wide variability in RGN off-target activities and unappreciated characteristics of off-target sequences. The majority of identified sites were not detected by existing computational methods or chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq). GUIDE-seq also identified RGN-independent genomic breakpoint 'hotspots'. Finally, GUIDE-seq revealed that truncated guide RNAs exhibit substantially reduced RGN-induced, off-target DSBs. Our experiments define the most rigorous framework for genome-wide identification of RGN off-target effects to date and provide a method for evaluating the safety of these nucleases before clinical use.

Although CRISPR-Cas9 nucleases are widely used for genome editing, the range of sequences that Cas9 can recognize is constrained by the need for a specific protospacer adjacent motif (PAM). As a result, it can often be difficult to target double-stranded breaks (DSBs) with the precision that is necessary for various genome-editing applications. The ability to engineer Cas9 derivatives with purposefully altered PAM specificities would address this limitation. Here we show that the commonly used Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) can be modified to recognize alternative PAM sequences using structural information, bacterial selection-based directed evolution, and combinatorial design. These altered PAM specificity variants enable robust editing of endogenous gene sites in zebrafish and human cells not currently targetable by wild-type SpCas9, and their genome-wide specificities are comparable to wild-type SpCas9 as judged by GUIDE-seq analysis. In addition, we identify and characterize another SpCas9 variant that exhibits improved specificity in human cells, possessing better discrimination against off-target sites with non-canonical NAG and NGA PAMs and/or mismatched spacers. We also find that two smaller-size Cas9 orthologues, Streptococcus thermophilus Cas9 (St1Cas9) and Staphylococcus aureus Cas9 (SaCas9), function efficiently in the bacterial selection systems and in human cells, suggesting that our engineering strategies could be extended to Cas9s from other species. Our findings provide broadly useful SpCas9 variants and, more importantly, establish the feasibility of engineering a wide range of Cas9s with altered and improved PAM specificities.

Andrew Feinberg and colleagues show that differential methylation of CpG island shores distinguish human induced pluripotent stem cells from the fibroblasts from which they were derived. These differentially methylated regions of the genome can also distinguish normal colon tissue from colorectal cancer. Induced pluripotent stem (iPS) cells are derived by epigenetic reprogramming, but their DNA methylation patterns have not yet been analyzed on a genome-wide scale. Here, we find substantial hypermethylation and hypomethylation of cytosine-phosphate-guanine (CpG) island shores in nine human iPS cell lines as compared to their parental fibroblasts. The differentially methylated regions (DMRs) in the reprogrammed cells (denoted R-DMRs) were significantly enriched in tissue-specific (T-DMRs; 2.6-fold, P < 10−4) and cancer-specific DMRs (C-DMRs; 3.6-fold, P < 10−4). Notably, even though the iPS cells are derived from fibroblasts, their R-DMRs can distinguish between normal brain, liver and spleen cells and between colon cancer and normal colon cells. Thus, many DMRs are broadly involved in tissue differentiation, epigenetic reprogramming and cancer. We observed colocalization of hypomethylated R-DMRs with hypermethylated C-DMRs and bivalent chromatin marks, and colocalization of hypermethylated R-DMRs with hypomethylated C-DMRs and the absence of bivalent marks, suggesting two mechanisms for epigenetic reprogramming in iPS cells and cancer.

Monomeric CRISPR-Cas9 nucleases are widely used for targeted genome editing but can induce unwanted off-target mutations with high frequencies. Here we describe dimeric RNA-guided FokI nucleases (RFNs) that can recognize extended sequences and edit endogenous genes with high efficiencies in human cells. RFN cleavage activity depends strictly on the binding of two guide RNAs (gRNAs) to DNA with a defined spacing and orientation substantially reducing the likelihood that a suitable target site will occur more than once in the genome and therefore improving specificities relative to wild-type Cas9 monomers. RFNs guided by a single gRNA generally induce lower levels of unwanted mutations than matched monomeric Cas9 nickases. In addition, we describe a simple method for expressing multiple gRNAs bearing any 5' end nucleotide, which gives dimeric RFNs a broad targeting range. RFNs combine the ease of RNA-based targeting with the specificity enhancement inherent to dimerization and are likely to be useful in applications that require highly precise genome editing.

Sensitive detection of off-target effects is important for translating CRISPR-Cas9 nucleases into human therapeutics. In vitro biochemical methods for finding off-targets offer the potential advantages of greater reproducibility and scalability while avoiding limitations associated with strategies that require the culture and manipulation of living cells. Here we describe circularization for in vitro reporting of cleavage effects by sequencing (CIRCLE-seq), a highly sensitive, sequencing-efficient in vitro screening strategy that outperforms existing cell-based or biochemical approaches for identifying CRISPR-Cas9 genome-wide off-target mutations. In contrast to previously described in vitro methods, we show that CIRCLE-seq can be practiced using widely accessible next-generation sequencing technology and does not require reference genome sequences. Importantly, CIRCLE-seq can be used to identify off-target mutations associated with cell-type-specific single-nucleotide polymorphisms, demonstrating the feasibility and importance of generating personalized specificity profiles. CIRCLE-seq provides an accessible, rapid, and comprehensive method for identifying genome-wide off-target mutations of CRISPR-Cas9.

Induced pluripotent stem (iPS) cells are produced by reprogramming differentiated adult cells using a cocktail of transcription factors. They share many properties that are characteristic of embryonic stem (ES) cells generated by somatic-cell nuclear transfer (SCNT), and of ES cells from naturally fertilized embryos. The three cell types are not identical, however, and an interesting difference has now been discovered: iPS cells retain an 'epigenetic memory' of the donor tissue from which they derive, whereas SCNT-based reprogramming resets the DNA-methylation state of adult cells so it is closer to the ES cell-like state. In a separate study, Ji et al. examine the role of specific DNA methylation marks in the developmental progression of particular cell lineages. They present a genome-wide DNA-methylation analysis of haematopoietic cell populations that reveals remarkable epigenetic plasticity. Changes in DNA methylation emerge as perhaps a principal factor directing cell-fate choices such as commitment to myeloid or lymphoid development. During haematopoiesis, multipotent progenitors differentiate into progressively restricted myeloid or lymphoid progenitors. A comprehensive genome-wide DNA methylation analysis of haematopoietic cell populations with well-characterized differentiation potentials reveals remarkable epigenetic plasticity during lymphoid and myeloid restriction. Epigenetic modifications must underlie lineage-specific differentiation as terminally differentiated cells express tissue-specific genes, but their DNA sequence is unchanged. Haematopoiesis provides a well-defined model to study epigenetic modifications during cell-fate decisions, as multipotent progenitors (MPPs) differentiate into progressively restricted myeloid or lymphoid progenitors. Although DNA methylation is critical for myeloid versus lymphoid differentiation, as demonstrated by the myeloerythroid bias in Dnmt1 hypomorphs1, a comprehensive DNA methylation map of haematopoietic progenitors, or of any multipotent/oligopotent lineage, does not exist. Here we examined 4.6 million CpG sites throughout the genome for MPPs, common lymphoid progenitors (CLPs), common myeloid progenitors (CMPs), granulocyte/macrophage progenitors (GMPs), and thymocyte progenitors (DN1, DN2, DN3). Marked epigenetic plasticity accompanied both lymphoid and myeloid restriction. Myeloid commitment involved less global DNA methylation than lymphoid commitment, supported functionally by myeloid skewing of progenitors following treatment with a DNA methyltransferase inhibitor. Differential DNA methylation correlated with gene expression more strongly at CpG island shores than CpG islands. Many examples of genes and pathways not previously known to be involved in choice between lymphoid/myeloid differentiation have been identified, such as Arl4c and Jdp2. Several transcription factors, including Meis1, were methylated and silenced during differentiation, indicating a role in maintaining an undifferentiated state. Additionally, epigenetic modification of modifiers of the epigenome seems to be important in haematopoietic differentiation. Our results directly demonstrate that modulation of DNA methylation occurs during lineage-specific differentiation and defines a comprehensive map of the methylation and transcriptional changes that accompany myeloid versus lymphoid fate decisions.

On-target activities and genome-wide specificities of Cpf1 nucleases in human cells. The activities and genome-wide specificities of CRISPR-Cas Cpf1 nucleases1 are not well defined. We show that two Cpf1 nucleases from Acidaminococcus sp. BV3L6 and Lachnospiraceae bacterium ND2006 (AsCpf1 and LbCpf1, respectively) have on-target efficiencies in human cells comparable with those of the widely used Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9)2,3,4,5. We also report that four to six bases at the 3′ end of the short CRISPR RNA (crRNA) used to program Cpf1 nucleases are insensitive to single base mismatches, but that many of the other bases in this region of the crRNA are highly sensitive to single or double substitutions. Using GUIDE-seq and targeted deep sequencing analyses performed with both Cpf1 nucleases, we were unable to detect off-target cleavage for more than half of 20 different crRNAs. Our results suggest that AsCpf1 and LbCpf1 are highly specific in human cells.