Abstract Glycaemic traits are used to diagnose and monitor type 2 diabetes, and cardiometabolic health. To date, most genetic studies of glycaemic traits have focused on individuals of European ancestry. Here, we aggregated genome-wide association studies in up to 281,416 individuals without diabetes (30% non-European ancestry) with fasting glucose, 2h-glucose post-challenge, glycated haemoglobin, and fasting insulin data. Trans-ancestry and single-ancestry meta-analyses identified 242 loci (99 novel; P <5×10 -8 ), 80% with no significant evidence of between-ancestry heterogeneity. Analyses restricted to European ancestry individuals with equivalent sample size would have led to 24 fewer new loci. Compared to single-ancestry, equivalent sized trans-ancestry fine-mapping reduced the number of estimated variants in 99% credible sets by a median of 37.5%. Genomic feature, gene-expression and gene-set analyses revealed distinct biological signatures for each trait, highlighting different underlying biological pathways. Our results increase understanding of diabetes pathophysiology by use of trans-ancestry studies for improved power and resolution.

Metabolic dysregulation in multiple tissues alters glucose homeostasis and influences risk for type 2 diabetes (T2D). To identify pathways and tissues influencing T2D-relevant glycemic traits (fasting glucose [FG], fasting insulin [FI], two-hour glucose [2hGlu] and glycated hemoglobin [HbA1c]), we investigated associations of exome-array variants in up to 144,060 individuals without diabetes of multiple ancestries. Single-variant analyses identified novel associations at 21 coding variants in 18 novel loci, whilst gene-based tests revealed signals at two genes, TF (HbA1c) and G6PC (FG, FI). Pathway and tissue enrichment analyses of trait-associated transcripts confirmed the importance of liver and kidney for FI and pancreatic islets for FG regulation, implicated adipose tissue in FI and the gut in 2hGlu, and suggested a role for the non-endocrine pancreas in glucose homeostasis. Functional studies demonstrated that a novel FG/FI association at the liver-enriched G6PC transcript was driven by multiple rare loss-of-function variants. The FG/HbA1c-associated, islet-specific G6PC2 transcript also contained multiple rare functional variants, including two alleles within the same codon with divergent effects on glucose levels. Our findings highlight the value of integrating genomic and functional data to maximize biological inference.

Objectives: 20-30% of patients with metformin treated type 2 diabetes experience gastrointestinal side effects leading to premature discontinuation in 5-10% of the cases. Gastrointestinal intolerance may reflect localised high concentrations of metformin in the gut. We hypothesized that reduced transport of metformin into the circulation via the plasma membrane monoamine transporter (PMAT) and organic cation transporter 1 (OCT1) could increase the risk of severe GI side effects. Research Design and Methods: The study included 286 severe metformin intolerant and 1128 tolerant individuals from the IMI DIRECT consortium. We assessed the association of patient characteristics, concomitant medication and the burden of mutations in the SLC29A4 and SLC22A1, genes that encode PMAT and OCT1, respectively, on odds of metformin intolerance using a logistic regression model. Results: Women (p < 0.001) and older people (p < 0.001) were more likely to develop metformin intolerance. Concomitant use of metformin transporter inhibiting drugs increased the odds of intolerance by more than 70% (OR = 1.72 [1.26-2.32], p < 0.001). In a logistic regression model adjusted for age, sex, weight and population substructure, the G allele at rs3889348 (SLC29A4) was associated with GI intolerance (OR = 1.34[1.09-1.65], p = 0.005). rs3889348 is the top cis-eQTL for SLC29A4 in gut tissue where carriers of the G allele had reduced expression. Homozygous carriers of the G allele treated with metformin transporter inhibiting drugs had over three times higher odds of intolerance compared to carriers of no G allele and not treated with inhibiting drugs (OR = 3.23 [1.71-6.39], p < 0.001). Using a genetic risk score (GRS) derived from SLC29A4 (rs3889348) and previously reported SLC22A1 variants (M420del, R61C, G401S), the odds of intolerance was more than twice in individuals who carry three or more risk alleles compared with those carrying none (OR = 2.15 [1.20-4.12], p = 0.01). Conclusions: These results suggest that intestinal metformin transporters and concomitant medications play an important role in gastrointestinal side effects of metformin.

Identification of coding variant associations for complex diseases offers a direct route to biological insight, but is dependent on appropriate inference concerning the causal impact of those variants on disease risk. We aggregated coding variant data for 81,412 type 2 diabetes (T2D) cases and 370,832 controls of diverse ancestry, identifying 40 distinct coding variant association signals (at 38 loci) reaching significance (p<2.2x10-7). Of these, 16 represent novel associations mapping outside known genome-wide association study (GWAS) signals. We make two important observations. First, despite a threefold increase in sample size over previous efforts, only five of the 40 signals are driven by variants with minor allele frequency <5%, and we find no evidence for low-frequency variants with allelic odds ratio >1.29. Second, we used GWAS data from 50,160 T2D cases and 465,272 controls of European ancestry to fine-map these associated coding variants in their regional context, with and without additional weighting to account for the global enrichment of complex trait association signals in coding exons. At the 37 signals for which we attempted fine-mapping, we demonstrate convincing support (posterior probability >80% under the 'annotation-weighted' model) that coding variants are causal for the association at 16 (including novel signals involving POC5 p.His36Arg, ANKH p.Arg187Gln, WSCD2 p.Thr113Ile, PLCB3 p.Ser778Leu, and PNPLA3 p.Ile148Met). However, at 13 of the 37 loci, the associated coding variants represent 'false leads' and naïve analysis could have led to an erroneous inference regarding the effector transcript mediating the signal. Accurate identification of validated targets is dependent on correct specification of the contribution of coding and non-coding mediated mechanisms at associated loci.

Protein-coding genetic variants that strongly affect disease risk can provide important clues into disease pathogenesis. Here we report an exome sequence analysis of 20,791 type 2 diabetes (T2D) cases and 24,440 controls from five ancestries. We identify rare (minor allele frequency<0.5%) variant gene-level associations in (a) three genes at exome-wide significance, including a T2D protective series of >30 SLC30A8 alleles, and (b) within 12 gene sets, including those corresponding to T2D drug targets (p=6.1×10-3) and candidate genes from knockout mice (p=5.2×10-3). Within our study, the strongest T2D rare variant gene-level signals explain at most 25% of the heritability of the strongest common single variant signals, and the rare variant gene-level effect sizes we observe in established T2D drug targets will require 110K-180K sequenced cases to exceed exome-wide significance. To help prioritize genes using associations from current smaller sample sizes, we present a Bayesian framework to recalibrate association p-values as posterior probabilities of association, estimating that reaching p<0.05 (p<0.005) in our study increases the odds of causal T2D association for a nonsynonymous variant by a factor of 1.8 (5.3). To help guide target or gene prioritization efforts, our data are freely available for analysis at www.type2diabetesgenetics.org.

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.

We aggregated genome-wide genotyping data from 32 European-descent GWAS (74,124 T2D cases, 824,006 controls) imputed to high-density reference panels of >30,000 sequenced haplotypes. Analysis of ~27M variants (~21M with minor allele frequency [MAF]<5%), identified 243 genome-wide significant loci (p<5x10-8; MAF 0.02%-50%; odds ratio [OR] 1.04-8.05), 135 not previously-implicated in T2D-predisposition. Conditional analyses revealed 160 additional distinct association signals (p<10-5) within the identified loci. The combined set of 403 T2D-risk signals includes 56 low-frequency (0.5%≤MAF<5%) and 24 rare (MAF<0.5%) index SNPs at 60 loci, including 14 with estimated allelic OR>2. Forty-one of the signals displayed effect-size heterogeneity between BMI-unadjusted and adjusted analyses. Increased sample size and improved imputation led to substantially more precise localisation of causal variants than previously attained: at 51 signals, the lead variant after fine-mapping accounted for >80% posterior probability of association (PPA) and at 18 of these, PPA exceeded 99%. Integration with islet regulatory annotations enriched for T2D association further reduced median credible set size (from 42 variants to 32) and extended the number of index variants with PPA>80% to 73. Although most signals mapped to regulatory sequence, we identified 18 genes as human validated therapeutic targets through coding variants that are causal for disease. Genome wide chip heritability accounted for 18% of T2D-risk, and individuals in the 2.5% extremes of a polygenic risk score generated from the GWAS data differed >9-fold in risk. Our observations highlight how increases in sample size and variant diversity deliver enhanced discovery and single-variant resolution of causal T2D-risk alleles, and the consequent impact on mechanistic insights and clinical translation.

Body fat distribution is a heritable risk factor for a range of adverse health consequences, including hyperlipidemia and type 2 diabetes. To identify protein-coding variants associated with body fat distribution, assessed by waist-to-hip ratio adjusted for body mass index, we analyzed 228,985 predicted coding and splice site variants available on exome arrays in up to 344,369 individuals from five major ancestries for discovery and 132,177 independent European-ancestry individuals for validation. We identified 15 common (minor allele frequency, MAF ≥ 5%) and 9 low frequency or rare (MAF < 5%) coding variants that have not been reported previously. Pathway/gene set enrichment analyses of all associated variants highlight lipid particle, adiponectin level, abnormal white adipose tissue physiology, and bone development and morphology as processes affecting fat distribution and body shape. Furthermore, the cross-trait associations and the analyses of variant and gene function highlight a strong connection to lipids, cardiovascular traits, and type 2 diabetes. In functional follow-up analyses, specifically in Drosophila RNAi-knockdown crosses, we observed a significant increase in the total body triglyceride levels for two genes (DNAH10 and PLXND1). By examining variants often poorly tagged or entirely missed by genome-wide association studies, we implicate novel genes in fat distribution, stressing the importance of interrogating low-frequency and protein-coding variants.