Abstract Cortical thickness, surface area and volumes (MRI cortical measures) vary with age and cognitive function, and in neurological and psychiatric diseases. We examined heritability, genetic correlations and genome-wide associations of cortical measures across the whole cortex, and in 34 anatomically predefined regions. Our discovery sample comprised 22,822 individuals from 20 cohorts within the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the United Kingdom Biobank. Significant associations were replicated in the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-analysis (ENIGMA) consortium, and their biological implications explored using bioinformatic annotation and pathway analyses. We identified genetic heterogeneity between cortical measures and brain regions, and 161 genome-wide significant associations pointing to wnt/β-catenin, TGF-β and sonic hedgehog pathways. There was enrichment for genes involved in anthropometric traits, hindbrain development, vascular and neurodegenerative disease and psychiatric conditions. These data are a rich resource for studies of the biological mechanisms behind cortical development and aging.

Bipolar disorder is a highly heritable psychiatric disorder that features episodes of mania and depression. We performed the largest genome-wide association study to date, including 20,352 cases and 31,358 controls of European descent, with follow-up analysis of 822 sentinel variants at loci with P<1x10-4 in an independent sample of 9,412 cases and 137,760 controls. In the combined analysis, 30 loci reached genome-wide significant evidence for association, of which 20 were novel. These significant loci contain genes encoding ion channels and neurotransmitter transporters (CACNA1C, GRIN2A, SCN2A, SLC4A1), synaptic components (RIMS1, ANK3), immune and energy metabolism components. Bipolar disorder type I (depressive and manic episodes; ~73% of our cases) is strongly genetically correlated with schizophrenia whereas bipolar disorder type II (depressive and hypomanic episodes; ~17% of our cases) is more strongly correlated with major depressive disorder. These findings address key clinical questions and provide potential new biological mechanisms for bipolar disorder.

The radial unit hypothesis provides a framework for global (proliferation) and regional (distribution) expansion of the primate cerebral cortex. Using principal component analysis (PCA), we have identified cortical regions with shared variance in their surface area and cortical thickness, respectively, segmented from magnetic resonance images obtained in 23,800 participants. We then carried out meta-analyses of genome-wide association studies of the first two principal components for each phenotype. For surface area (but not cortical thickness), we have detected strong associations between each of the components and single nucleotide polymorphisms in a number of gene loci. The first (global) component was associated mainly with loci on chromosome 17 (9.5e-32 ≤ p ≤ 2.8e-10), including those detected previously as linked with intracranial volume and/or general cognitive function. The second (regional) component captured shared variation in the surface area of the primary and adjacent secondary visual cortices and showed a robust association with polymorphisms in a locus on chromosome 14 containing Disheveled Associated Activator of Morphogenesis 1 ( DAAM1 ; p =2.4e-34). DAAM1 is a key component in the planar-cell-polarity signaling pathway. In follow-up studies, we have focused on the latter finding and established that: (1) DAAM1 is highly expressed between 12th and 22nd post-conception weeks in the human cerebral cortex; (2) genes co-expressed with DAAM1 in the primary visual cortex are enriched in mitochondria-related pathways; and (3) volume of the lateral geniculate nucleus, which projects to regions of the visual cortex staining for cytochrome oxidase (a mitochondrial enzyme), correlates with the surface area of the visual cortex in major-allele homozygotes but not in carriers of the minor allele. Altogether, we speculate that, in concert with thalamocortical input to cortical subplate, DAAM1 enables migration of neurons to cytochrome-oxidase rich regions of the visual cortex, and, in turn, facilitates regional expansion of this set of cortical regions during development.

Identification of epistasis affecting complex human traits has been challenging. Focusing on known coronary artery disease (CAD) risk loci, we explore pairwise statistical interactions between 8,068 SNPs from ten CAD genome-wide association studies (n=30,180). We discovered rs1800769 and rs9458001 in the vicinity of the LPA locus to interact in modulating CAD risk (P=1.75e-13). Specific genotypes (e.g., rs1800769 CT) displayed either significantly decreased or increased risk for CAD in the context of genotypes of the respective other SNP (e.g., rs9458001 GG vs. AA). In the UK Biobank (n=450,112) significant interaction of this SNP pair was replicated for CAD (P=3.09e-22), and was also found for aortic valve stenosis (P=6.95e-7) and peripheral arterial disease (P=2.32e-4). Identical interaction patterns affected circulating lipoprotein(a) (n=5,953; P=8.7e-32) and hepatic apolipoprotein(a) (apo(a)) expression (n=522, P=2.6e-11). We further interrogated potential biological implications of the variants and propose a mechanism explaining epistasis that ultimately may translate to substantial cardiovascular risks.