Abstract Genotype-based approaches for the estimation of SNP-based narrow-sense heritability have limited utility in pregnancy-related outcomes due to confounding by the shared alleles between mother and child. Here, we propose a haplotype-based approach to estimate the genetic variance attributable to three haplotypes – maternal transmitted , maternal non-transmitted and paternal transmitted in mother-child pairs. We show through extensive simulations that our haplotype-based approach outperforms the conventional and contemporary approaches for resolving the contribution of maternal and fetal effects, particularly when m1 and p1 have different effects in the offspring. We apply this approach to estimate the explicit and relative maternal-fetal genetic contribution to the phenotypic variance of gestational duration and gestational duration adjusted fetal size measurements at birth in 10,375 mother-child pairs. The results reveal that variance of gestational duration is mainly attributable to m1 and m2 ( = 17.3%, S. E. = 5.2%; = 12.2%, S. E. = 5.2%; = 0.0%, S. E. = 5.0%). In contrast, variance of fetal size measurements at birth are mainly attributable to m1 and p1 ( = 18.6 − 36.4%, = 0.0 − 5.2% and = 4.4 − 13.6%). Our results suggest that gestational duration and fetal size measurements are primarily genetically determined by the maternal and fetal genomes, respectively. In addition, a greater contribution of m1 as compared to m2 and p1 to birth length and head circumference suggests a substantial influence of correlated maternal-fetal genetic effects on these traits. Our newly developed approach provides a direct and robust alternative for resolving explicit maternal and fetal genetic contributions to the phenotypic variance of pregnancy-related outcomes.

Infant and childhood growth are dynamic processes characterized by drastic changes in fat mass and body mass index (BMI) at distinct developmental stages. To elucidate how genetic variation influences these processes, we performed the first genome-wide association study (GWAS) of BMI measurements at 12 time points from birth to eight years of age (9,286 children, 74,105 measurements) in the Norwegian Mother and Child Cohort Study (MoBa) with replication in 5,235 children (41,502 measurements). We identified five loci associated with BMI at distinct developmental stages with different patterns of association. Notably, we identified a novel transient effect in the leptin receptor (LEPR) locus, with no effect at birth, increasing effect on BMI in infancy, peaking at 6-12 months (rs2767486, P6m = 2.0 × 10-21, β6m = 0.16) and little effect after age five. A similar transient effect was found near the leptin gene (LEP), peaking at 1.5 years of age (rs10487505, P1.5y = 1.3 × 10-8, β1.5y = 0.079). Both signals are protein quantitative trait loci (pQTLs) for soluble LEPR and LEP in plasma in adults and independent from signals associated with other adult traits mapped to the respective genes, suggesting novel key roles of common variation in the leptin signaling pathway for healthy infant growth. Hence, our longitudinal analysis uncovers a complex and dynamic influence of common variation on BMI during infant and early childhood growth, dominated by the LEP-LEPR axis in infancy.

Birth weight (BW) variation is influenced by fetal and maternal genetic and non-genetic factors, and has been reproducibly associated with future cardio-metabolic health outcomes. These associations have been proposed to reflect the lifelong consequences of an adverse intrauterine environment. In earlier work, we demonstrated that much of the negative correlation between BW and adult cardio-metabolic traits could instead be attributable to shared genetic effects. However, that work and other previous studies did not systematically distinguish the direct effects of an individual's own genotype on BW and subsequent disease risk from indirect effects of their mother's correlated genotype, mediated by the intrauterine environment. Here, we describe expanded genome-wide association analyses of own BW (n=321,223) and offspring BW (n=230,069 mothers), which identified 278 independent association signals influencing BW (214 novel). We used structural equation modelling to decompose the contributions of direct fetal and indirect maternal genetic influences on BW, implicating fetal- and maternal-specific mechanisms. We used Mendelian randomization to explore the causal relationships between factors influencing BW through fetal or maternal routes, for example, glycemic traits and blood pressure. Direct fetal genotype effects dominate the shared genetic contribution to the association between lower BW and higher type 2 diabetes risk, whereas the relationship between lower BW and higher later blood pressure (BP) is driven by a combination of indirect maternal and direct fetal genetic effects: indirect effects of maternal BP-raising genotypes act to reduce offspring BW, but only direct fetal genotype effects (once inherited) increase the offspring's later BP. Instrumental variable analysis using maternal BW-lowering genotypes to proxy for an adverse intrauterine environment provided no evidence that it causally raises offspring BP. In successfully separating fetal from maternal genetic effects, this work represents an important advance in genetic studies of perinatal outcomes, and shows that the association between lower BW and higher adult BP is attributable to genetic effects, and not to intrauterine programming.

The duration of pregnancy is influenced by fetal and maternal genetic and non-genetic factors. We conducted a fetal genome-wide association meta-analysis of gestational duration, and early preterm, preterm, and postterm birth in 84,689 infants. One locus on chromosome 2q13 was associated with gestational duration; the association was replicated in 9,291 additional infants (combined P = 3.96 x 10-14). Analysis of 15,536 mother-child pairs showed that the association was driven by fetal rather than maternal genotype. Functional experiments showed that the lead SNP, rs7594852, alters the binding of the HIC1 transcriptional repressor. Genes at the locus include several interleukin 1 family members with roles in pro-inflammatory pathways that are central to the process of parturition. Further understanding of the underlying mechanisms will be of great public health importance, since giving birth either before or after the window of term gestation is associated with increased morbidity and mortality.

Miscarriage is a common complex trait that affects 10-25% of clinically confirmed pregnancies. Here we present the first large-scale genetic association analyses with 69,118 cases from five different ancestries for sporadic miscarriage and 750 cases of European ancestry for recurrent miscarriage, and up to 359,469 female controls. We identify one genome-wide significant association on chromosome 13 (rs146350366, minor allele frequency (MAF) 1.2%, Pmeta=3.2×10-8, odds ratio (OR) 1.4 (95% confidence interval (CI) 1.2-1.6) for sporadic miscarriage in our European ancestry meta-analysis (50,060 cases and 174,109 controls), located near FGF9 involved in pregnancy maintenance and progesterone production. Additionally, we identified three genome-wide significant associations for recurrent miscarriage, including a signal on chromosome 9 (rs7859844, MAF=6.4%, Pmeta=1.3×10-8, OR=1.7 (1.4-2.0)) physically interacting with TLE1/TLE4 involved in controlling extravillous trophoblast motility. We further investigate the genetic architecture of miscarriage with biobank-scale Mendelian randomization, heritability and, genetic correlation analyses. Our results implicate that miscarriage etiopathogenesis is partly driven by genetic variation related to gonadotropin regulation, placental biology and progesterone production.

Many maternal traits are associated with a neonate’s gestational duration, birth weight and birth length. These birth outcomes are subsequently associated with late onset health conditions. Based on 10,734 mother/infant duos of European ancestry, we constructed haplotype genetic scores to dissect the maternal and fetal genetic effects underlying these observed associations. We showed that maternal height and fetal growth jointly affect the duration of gestation – maternal height positively influences the gestational duration, while faster fetal growth reduces gestational duration. Fetal growth is influenced by both maternal and fetal effects and can reciprocally influence maternal phenotypes: tall maternal stature and higher blood glucose causally increase birth size; in the fetus, the height and metabolic risk increasing alleles can lead to increased and decreased birth size respectively; birth weight-raising alleles in fetus may reduce gestational duration and increase maternal blood pressure. These maternal and fetal genetic effects can largely explain the observed associations between the studied maternal phenotypes and birth outcomes as well as the life-course associations between these birth outcomes and adult phenotypes.