Vitamin D insufficiency is common, correctable, and influenced by genetic factors, and it has been associated with risk of several diseases. We sought to identify low-frequency genetic variants that strongly increase the risk of vitamin D insufficiency and tested their effect on risk of multiple sclerosis, a disease influenced by low vitamin D concentrations. We used whole-genome sequencing data from 2,619 individuals through the UK10K program and deep-imputation data from 39,655 individuals genotyped genome-wide. Meta-analysis of the summary statistics from 19 cohorts identified in CYP2R1 the low-frequency (minor allele frequency=2.5%) synonymous coding variant g.14900931G>A (p.Asp120Asp) (rs117913124[A]), which conferred a large effect on 25-hydroxyvitamin D (25OHD) levels (−0.43 SD of standardized natural log-transformed 25OHD per A allele; p value=1.5 × 10⁻⁸⁸). The effect on 25OHD was four times larger and independent of the effect of a previously described common variant near CYP2R1. By analyzing 8,711 individuals, we showed that heterozygote carriers of this low-frequency variant have an increased risk of vitamin D insufficiency (odds ratio [OR] = 2.2, 95% confidence interval [CI] = 1.78–2.78, p=1.26 × 10⁻¹²). Individuals carrying one copy of this variant also had increased odds of multiple sclerosis (OR = 1.4, 95% CI=1.19–1.64, p=2.63 × 10⁻⁵) in a sample of 5,927 case and 5,599 control subjects. In conclusion, we describe a low-frequency CYP2R1 coding variant that exerts the largest effect upon 25OHD levels identified to date in the general European population and implicates vitamin D in the etiology of multiple sclerosis.

ABSTRACT Common SNPs are predicted to collectively explain 40-50% of phenotypic variation in human height, but identifying the specific variants and associated regions requires huge sample sizes. Here we show, using GWAS data from 5.4 million individuals of diverse ancestries, that 12,111 independent SNPs that are significantly associated with height account for nearly all of the common SNP-based heritability. These SNPs are clustered within 7,209 non-overlapping genomic segments with a median size of ~90 kb, covering ~21% of the genome. The density of independent associations varies across the genome and the regions of elevated density are enriched for biologically relevant genes. In out-of-sample estimation and prediction, the 12,111 SNPs account for 40% of phenotypic variance in European ancestry populations but only ~10%-20% in other ancestries. Effect sizes, associated regions, and gene prioritization are similar across ancestries, indicating that reduced prediction accuracy is likely explained by linkage disequilibrium and allele frequency differences within associated regions. Finally, we show that the relevant biological pathways are detectable with smaller sample sizes than needed to implicate causal genes and variants. Overall, this study, the largest GWAS to date, provides an unprecedented saturated map of specific genomic regions containing the vast majority of common height-associated variants.

One of the justifiable criticisms of human genetic studies is the underrepresentation of participants from diverse populations. Lack of inclusion must be addressed at-scale to identify causal disease factors and understand the genetic causes of health disparities. We present genome-wide associations for 2068 traits from 635,969 participants in the Department of Veterans Affairs Million Veteran Program, a longitudinal study of diverse United States Veterans. Systematic analysis revealed 13,672 genomic risk loci; 1608 were only significant after including non-European populations. Fine-mapping identified causal variants at 6318 signals across 613 traits. One-third ( n = 2069) were identified in participants from non-European populations. This reveals a broadly similar genetic architecture across populations, highlights genetic insights gained from underrepresented groups, and presents an extensive atlas of genetic associations.

Abstract Pubertal timing varies considerably and is associated with later health outcomes. We performed multi-ancestry genetic analyses on ~800,000 women, identifying 1,080 signals for age at menarche. Collectively, these explained 11% of trait variance in an independent sample. Women at the top and bottom 1% of polygenic risk exhibited ~11 and ~14-fold higher risks of delayed and precocious puberty, respectively. We identified several genes harboring rare loss-of-function variants in ~200,000 women, including variants in ZNF483 , which abolished the impact of polygenic risk. Variant-to-gene mapping approaches and mouse gonadotropin-releasing hormone neuron RNA sequencing implicated 665 genes, including an uncharacterized G-protein-coupled receptor, GPR83 , which amplified the signaling of MC3R , a key nutritional sensor. Shared signals with menopause timing at genes involved in DNA damage response suggest that the ovarian reserve might signal centrally to trigger puberty. We also highlight body size-dependent and independent mechanisms that potentially link reproductive timing to later life disease.

Abstract Genes act in concert with each other in specific contexts to perform their functions. Determining how these genes influence complex traits requires a mechanistic understanding of expression regulation across different conditions. It has been shown that this insight is critical for developing new therapies. In this regard, the role of individual genes in disease-relevant mechanisms can be hypothesized with transcriptome-wide association studies (TWAS), which have represented a significant step forward in testing the mediating role of gene expression in GWAS associations. However, modern models of the architecture of complex traits predict that gene-gene interactions play a crucial role in disease origin and progression. Here we introduce PhenoPLIER, a computational approach that maps gene-trait associations and pharmacological perturbation data into a common latent representation for a joint analysis. This representation is based on modules of genes with similar expression patterns across the same conditions. We observed that diseases were significantly associated with gene modules expressed in relevant cell types, and our approach was accurate in predicting known drug-disease pairs and inferring mechanisms of action. Furthermore, using a CRISPR screen to analyze lipid regulation, we found that functionally important players lacked TWAS associations but were prioritized in trait-associated modules by PhenoPLIER. By incorporating groups of co-expressed genes, PhenoPLIER can contextualize genetic associations and reveal potential targets missed by single-gene strategies.

Abstract Three-dimensional (3D) chromatin organization maps help to dissect cell type-specific gene regulatory programs. Furthermore, 3D chromatin maps have contributed to elucidating the pathogenesis of complex genetic diseases by connecting distal regulatory regions and genetic risk variants to their respective target genes. To understand the cell type-specific regulatory architecture of diabetes risk, we generated transcriptomic and 3D epigenomic profiles of human pancreatic acinar, alpha, and beta cells using single-cell RNA-seq, single-cell ATAC-seq, and high-resolution Hi-C of sorted cells. Comparisons of these profiles revealed differential A/B (open/closed) chromatin compartmentalization, chromatin looping, and transcriptional factor mediated control of cell type-specific gene regulatory programs. We identified a total of 4,750 putative causal-variant-target-gene pairs at 194 type 2 diabetes GWAS signals using pancreatic 3D chromatin maps. We found that the connections between candidate causal variants and their putative target effector genes are cell-type stratified and emphasize previously underappreciated roles for alpha and acinar cells in diabetes pathogenesis.

Summary The hypothalamus regulates metabolic homeostasis by influencing behavior, energy utilization and endocrine systems. Given its role governing health-relevant traits, such as body weight and reproductive timing, understanding the genetic regulation of hypothalamic development and function should yield insights into these traits and diseases. However, given its inaccessibility, studying human hypothalamic gene regulation has proven challenging. To address this gap, we generated a chromatin architecture atlas of an established embryonic stem cell (ESC)-derived hypothalamic-like neuron (HN) model across three stages of in vitro differentiation. We profiled accessible chromatin and identified physically interacting contacts between gene promoters and their putative cis-regulatory elements (cREs) to characterize changes in the gene regulatory landscape during hypothalamic differentiation. Next, we integrated these data with GWAS loci for multiple traits and diseases enriched for heritability in these cells, identifying candidate effector genes and cREs impacting transcription factor binding. Our results reveal common target genes for these traits, potentially identifying core hypothalamic developmental pathways. Our atlas will enable future efforts to determine precise mechanisms underlying hypothalamic development with respect to specific disease pathogenesis.

ABSTRACT Sleep is nearly ubiquitous throughout the animal kingdom, with deficiencies in sleep having been linked to a wide range of human disorders and diseases. While genome wide association studies (GWAS) in humans have identified loci robustly associated with several heritable diseases or traits, little is known about the functional roles of the underlying causal variants in regulating sleep duration or quality. We applied an ATAC-seq/promoter focused Capture C strategy in human iPSC-derived neural progenitors to carry out a ‘variant-to-gene’ mapping campaign that identified 88 candidate sleep effector genes connected to relevant GWAS signals. To functionally validate the role of the implicated effector genes in sleep regulation, we performed a neuron-specific RNAi screen in the fruit fly, Drosophila melanogaster . This approach identified a number of genes that regulated sleep, including phosphatidylinositol N-acetylglucosaminyltransferase subunit Q ( PIG-Q ), a gene that encodes an enzyme involved in the first step of glycosylphosphatidylinositol (GPI)- anchor biosynthesis. We show that flies deficient for PIG-Q have longer sleep during both day and night due to an increase in the total number of sleep bouts. Subsequent systematic investigation of other PIG-family genes identified increased sleep in flies for multiple different genes within the PIG pathway. We then mutated the PIG-Q locus in zebrafish and identified similar increases in sleep to those observed in Drosophila , confirming deep homology of PIG-Q mediated sleep regulation. These results provide the first physical variant-to-gene mapping of human sleep genes followed by a model organism-based prioritization, revealing a novel and conserved role for GPI-anchor biosynthesis in sleep regulation.

Abstract Recent large-scale human genome-wide association studies (GWAS) for insomnia have identified more than 200 significant loci. The functional relevance of these loci to the pathogenesis of insomnia is largely unknown. GWAS signals are typically non-coding variants, which are often arbitrarily annotated to the nearest protein-coding gene; however, due to 3D chromatin structure, variants can interact with more distal genes driving their function. The distal gene may, therefore, represent the true causal gene influencing the phenotype. By integrating our high-resolution chromatin interaction maps from neural progenitor cells with phenotypic data from a Drosophila RNAi screen, we prioritized candidate genes that we hypothesized would have deep phylogenetic conservation of sleep function. To determine the conservation of these candidate genes in the context of vertebrate sleep and their relevance to insomnia-like behaviors, we performed CRISPR-Cas9 mutagenesis in larval zebrafish for six highly conserved candidate genes and examined sleep-wake behaviors using automated video-tracking. CRISPR mutation of zebrafish orthologs of MEIS1 and SKIV2L produced insomnia-like behaviors, while mutation of ARFGAP2 impaired activity and development in our larval zebrafish model, demonstrating the importance of performing functional validation of GWAS-implicated effector genes to reveal genes influencing disease-relevant mechanisms.

Abstract INTRODUCTION The difference in APOEε4 risk for Alzheimer disease (AD) between different populations is associated with APOEε4 local ancestry (LA). We examined LA SNPs with significant frequency differences between African and European/Japanese APOEε4 haplotypes for areas of differential regulation. METHODS We performed two enhancer Massively Parallel Reporter Assay (MPRA) approaches, supplemented with single fragment reporter assays. We utilized Capture C analyses to support interactions with the APOE promoter. RESULTS The TOMM40 intron 2 and 3 region showed increased enhancer activity in the European/Japanese versus African LA haplotypes in astrocytes and microglia. This region overlaps with APOE promoter interactions as assessed by Capture C analysis. Single variant analyses pinpoints rs2075650/rs157581, and rs59007384 as functionally different on these haplotypes. DISCUSSION Both differential regulatory function and Capture C data support an intronic region in TOMM40 as contributing to the differential APOE expression between African and European/Japanese LA.