Background: DNA methylation patterns associated with habitual diet have not been well studied. Methods: Diet quality was characterized using a Mediterranean-style diet score and the Alternative Healthy Eating Index score. We conducted ethnicity-specific and trans-ethnic epigenome-wide association analyses for diet quality and leukocyte-derived DNA methylation at over 400 000 CpGs (cytosine-guanine dinucleotides) in 5 population-based cohorts including 6662 European ancestry, 2702 African ancestry, and 360 Hispanic ancestry participants. For diet-associated CpGs identified in epigenome-wide analyses, we conducted Mendelian randomization (MR) analysis to examine their relations to cardiovascular disease risk factors and examined their longitudinal associations with all-cause mortality. Results: We identified 30 CpGs associated with either Mediterranean-style diet score or Alternative Healthy Eating Index, or both, in European ancestry participants. Among these CpGs, 12 CpGs were significantly associated with all-cause mortality (Bonferroni corrected P <1.6×10 −3 ). Hypermethylation of cg18181703 ( SOCS3 ) was associated with higher scores of both Mediterranean-style diet score and Alternative Healthy Eating Index and lower risk for all-cause mortality ( P =5.7×10 −15 ). Ten additional diet-associated CpGs were nominally associated with all-cause mortality ( P <0.05). MR analysis revealed 8 putatively causal associations for 6 CpGs with 4 cardiovascular disease risk factors (body mass index, triglycerides, high-density lipoprotein cholesterol concentrations, and type 2 diabetes mellitus; Bonferroni corrected MR P <4.5×10 −4 ). For example, hypermethylation of cg11250194 ( FADS2 ) was associated with lower triglyceride concentrations (MR, P =1.5×10 −14 ).and hypermethylation of cg02079413 ( SNORA54 ; NAP1L4 ) was associated with body mass index (corrected MR, P =1×10 −6 ). Conclusions: Habitual diet quality was associated with differential peripheral leukocyte DNA methylation levels of 30 CpGs, most of which were also associated with multiple health outcomes, in European ancestry individuals. These findings demonstrate that integrative genomic analysis of dietary information may reveal molecular targets for disease prevention and treatment.

ABSTRACT Age is the dominant risk factor for most chronic human diseases; yet the mechanisms by which aging confers this risk are largely unknown. 1 Recently, the age-related acquisition of somatic mutations in regenerating hematopoietic stem cell populations was associated with both hematologic cancer incidence 2–4 and coronary heart disease prevalence. 5 Somatic mutations with leukemogenic potential may confer selective cellular advantages leading to clonal expansion, a phenomenon termed ‘Clonal Hematopoiesis of Indeterminate Potential’ (CHIP). 6 Simultaneous germline and somatic whole genome sequence analysis now provides the opportunity to identify root causes of CHIP. Here, we analyze high-coverage whole genome sequences from 97,691 participants of diverse ancestries in the NHLBI TOPMed program and identify 4,229 individuals with CHIP. We identify associations with blood cell, lipid, and inflammatory traits specific to different CHIP genes. Association of a genome-wide set of germline genetic variants identified three genetic loci associated with CHIP status, including one locus at TET2 that was African ancestry specific. In silico -informed in vitro evaluation of the TET2 germline locus identified a causal variant that disrupts a TET2 distal enhancer. Aggregates of rare germline loss-of-function variants in CHEK2 , a DNA damage repair gene, predisposed to CHIP acquisition. Overall, we observe that germline genetic variation altering hematopoietic stem cell function and the fidelity of DNA-damage repair increase the likelihood of somatic mutations leading to CHIP.

DNA methylation (DNAm) has been reported to be associated with many diseases and with mortality. We hypothesized that the integration of DNAm with clinical risk factors would improve mortality prediction. We performed an epigenome-wide association study of whole blood DNAm in relation to mortality in 15 cohorts (n = 15,013). During a mean follow-up of 10 years, there were 4314 deaths from all causes including 1235 cardiovascular disease (CVD) deaths and 868 cancer deaths. Ancestry-stratified meta-analysis of all-cause mortality identified 163 CpGs in European ancestry (EA) and 17 in African ancestry (AA) participants at p < 1 × 10-7 , of which 41 (EA) and 16 (AA) were also associated with CVD death, and 15 (EA) and 9 (AA) with cancer death. We built DNAm-based prediction models for all-cause mortality that predicted mortality risk after adjusting for clinical risk factors. The mortality prediction model trained by integrating DNAm with clinical risk factors showed an improvement in prediction of cancer death with 5% increase in the C-index in a replication cohort, compared with the model including clinical risk factors alone. Mendelian randomization identified 15 putatively causal CpGs in relation to longevity, CVD, or cancer risk. For example, cg06885782 (in KCNQ4) was positively associated with risk for prostate cancer (Beta = 1.2, PMR = 4.1 × 10-4 ) and negatively associated with longevity (Beta = -1.9, PMR = 0.02). Pathway analysis revealed that genes associated with mortality-related CpGs are enriched for immune- and cancer-related pathways. We identified replicable DNAm signatures of mortality and demonstrated the potential utility of CpGs as informative biomarkers for prediction of mortality risk.

Abstract A diverse set of driver genes, such as regulators of DNA methylation, RNA splicing, and chromatin remodeling, have been associated with pre-malignant clonal expansion of hematopoietic stem cells (HSCs). The factors mediating expansion of these mutant clones remain largely unknown, partially due to a paucity of large cohorts with longitudinal blood sampling. To circumvent this limitation, we developed and validated a method to infer clonal expansion rate from single timepoint data called PACER (passenger-approximated clonal expansion rate). Applying PACER to 5,071 persons with clonal hematopoiesis accurately recapitulated the known fitness effects due to different driver mutations. A genome-wide association study of PACER revealed that a common inherited polymorphism in the TCL1A promoter was associated with slower clonal expansion. Those carrying two copies of this protective allele had up to 80% reduced odds of having driver mutations in TET2, ASXL1, SF3B1, SRSF2 , and JAK2 , but not DNMT3A. TCL1A was not expressed in normal or DNMT3A -mutated HSCs, but the introduction of mutations in TET2 or ASXL1 by CRISPR editing led to aberrant expression of TCL1A and expansion of HSCs in vitro. These effects were abrogated in HSCs from donors carrying the protective TCL1A allele. Our results indicate that the fitness advantage of multiple common driver genes in clonal hematopoiesis is mediated through TCL1A activation. PACER is an approach that can be widely applied to uncover genetic and environmental determinants of pre-malignant clonal expansion in blood and other tissues.

Abstract Background Marijuana is the third most commonly used drug in the USA and efforts to legalize it for medical and recreational use are growing. Despite the increase in use, marijuana’s effect on aging remains understudied and understanding the effects of marijuana on molecular aging may provide novel insights into the role of marijuana in the aging process. We therefore sought to investigate the association between cumulative and recent use of marijuana with epigenetic age acceleration (EAA) as estimated from blood DNA methylation. Results A random subset of participants from The Coronary Artery Risk Development in Young Adults (CARDIA) Study with available whole blood at examination years (Y) 15 and Y20 underwent epigenomic profiling. Four EAA estimates (intrinsic epigenetic age acceleration, extrinsic epigenetic age acceleration, PhenoAge acceleration, and GrimAge acceleration) were calculated from DNA methylation levels measured at Y15 and Y20. Ever use and cumulative marijuana-years were calculated from the baseline visit to Y15 and Y20, and recent marijuana use (both any and number of days of use in the last 30 days) were calculated at Y15 and Y20. Ever use of marijuana and each additional marijuana-year were associated with a 6-month ( P < 0.001) and a 2.5-month ( P < 0.001) higher average in GrimAge acceleration (GAA) using generalized estimating equations, respectively. Recent use and each additional day of recent use were associated with a 20-month ( P < 0.001) and a 1-month ( P < 0.001) higher GAA, respectively. A statistical interaction between marijuana-years and alcohol consumption on GAA was observed ( P = 0.011), with nondrinkers exhibiting a higher GAA ( β = 0.21 [95% CI 0.05, 0.36], P = 0.008) compared to heavy drinkers ( β = 0.05 [95% CI − 0.09, 0.18], P = 0.500) per each additional marijuana-year. No associations were observed for the remaining EAA estimates. Conclusions These findings suggest cumulative and recent marijuana use are associated with age-related epigenetic changes that are related to lifespan. These observed associations may be modified by alcohol consumption. Given the increase in use and legalization, these findings provide novel insight on the effect of marijuana use on the aging process as captured through blood DNA methylation.

Proximity to urban blue and green spaces has been associated with improved cardiovascular health; however, few studies have examined the role of race and socioeconomic status in these associations.

Abstract Despite the wide effects of cardiorespiratory fitness (CRF) on metabolic, cardiovascular, pulmonary and neurological health, challenges in the feasibility and reproducibility of CRF measurements have impeded its use for clinical decision-making. Here we link proteomic profiles to CRF in 14,145 individuals across four international cohorts with diverse CRF ascertainment methods to establish, validate and characterize a proteomic CRF score. In a cohort of around 22,000 individuals in the UK Biobank, a proteomic CRF score was associated with a reduced risk of all-cause mortality (unadjusted hazard ratio 0.50 (95% confidence interval 0.48–0.52) per 1 s.d. increase). The proteomic CRF score was also associated with multisystem disease risk and provided risk reclassification and discrimination beyond clinical risk factors, as well as modulating high polygenic risk of certain diseases. Finally, we observed dynamicity of the proteomic CRF score in individuals who undertook a 20-week exercise training program and an association of the score with the degree of the effect of training on CRF, suggesting potential use of the score for personalization of exercise recommendations. These results indicate that population-based proteomics provides biologically relevant molecular readouts of CRF that are additive to genetic risk, potentially modifiable and clinically translatable.

Abstract Genome-wide association studies (GWAS) have become well-powered to detect loci associated with telomere length. However, no prior work has validated genes nominated by GWAS to examine their role in telomere length regulation. We conducted a multi-ancestry meta-analysis of 211,369 individuals and identified five novel association signals. Enrichment analyses of chromatin state and cell-type heritability suggested that blood/immune cells are the most relevant cell type to examine telomere length association signals. We validated specific GWAS associations by overexpressing KBTBD6 or POP5 and demonstrated that both lengthened telomeres. CRISPR/Cas9 deletion of the predicted causal regions in K562 blood cells reduced expression of these genes, demonstrating that these loci are related to transcriptional regulation of KBTBD6 and POP5 . Our results demonstrate the utility of telomere length GWAS in the identification of telomere length regulation mechanisms and validate KBTBD6 and POP5 as genes affecting telomere length regulation.

OBJECTIVES: Robust biomarkers for pancreatic cancer (PaC) early detection/prognosis are critical for improved patient survival. Our goal was to explore the biomarker potential of 5-hydroxymethylcytosines (5hmC), an epigenetic marker with a distinct role in cancer pathobiology, yet under-investigated due largely to technical constraints. METHODS: We used the TAB-Array assay, a state-of-the-art technology to directly profile 5hmC at single base resolution with the Illumina EPIC array (>850,000 CpG sites) in 17 pairs of tumor/adjacent tissue samples from US patients. RESULTS: We demonstrated distinctive distributions of 5hmC in tissues, and substantial differences between tumor and adjacent tissues, suggesting their diagnostic/prognostic value of for PaC. CONCLUSION: This study established the potential of 5hmC as a novel epigenetic biomarker for PaC.