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.

Epigenetic age estimators indicating faster/slower biological aging vs chronological age independently associate with several age-related outcomes; however, longitudinal associations with cognitive function are understudied. We examined associations of epigenetic age estimators with cognitive function measured annually.

Understanding the impact of clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP) and mosaic chromosomal alterations (mCAs) on solid tumor risk and mortality can shed light on novel cancer pathways.

The electrocardiographic PR interval reflects atrioventricular conduction, and is associated with conduction abnormalities, pacemaker implantation, atrial fibrillation (AF), and cardiovascular mortality[1][1],[2][2]. We performed multi-ancestry (N=293,051) and European only (N=271,570) genome-wide association (GWAS) meta-analyses for the PR interval, discovering 210 loci of which 149 are novel. Variants at all loci nearly doubled the percentage of heritability explained, from 33.5% to 62.6%. We observed enrichment for genes involved in cardiac muscle development/contraction and the cytoskeleton highlighting key regulation processes for atrioventricular conduction. Additionally, 19 novel loci harbour genes underlying inherited monogenic heart diseases suggesting the role of these genes in cardiovascular pathology in the general population. We showed that polygenic predisposition to PR interval duration is an endophenotype for cardiovascular disease risk, including distal conduction disease, AF, atrioventricular pre-excitation, non-ischemic cardiomyopathy, and coronary heart disease. These findings advance our understanding of the polygenic basis of cardiac conduction, and the genetic relationship between PR interval duration and cardiovascular disease. [1]: #ref-1 [2]: #ref-2

Despite existing reports on differential DNA methylation in type 2 diabetes (T2D) and obesity, our understanding of the functional relevance of the phenomenon remains limited. Because obesity is the main risk factor for T2D and a driver of methylation from previous study, we aimed to explore the effect of DNA methylation in the early phases of T2D pathology while accounting for body mass index (BMI). We performed a blood-based epigenome-wide association study (EWAS) of fasting glucose and insulin among 4,808 non-diabetic European individuals and replicated the findings in an independent sample consisting of 11,750 non-diabetic subjects. We integrated blood-based in silico cross-omics databases comprising genomics, epigenomics and transcriptomics collected by BIOS project of the Biobanking and BioMolecular resources Research Infrastructure of the Netherlands (BBMRI-NL), the Meta-Analyses of Glucose and Insulin-related traits Consortium (MAGIC), the DIAbetes Genetics Replication And Meta-analysis (DIAGRAM) consortium, and the tissue-specific Genotype-Tissue Expression (GTEx) project. We identified and replicated nine novel differentially methylated sites in whole blood (P-value < 1.27 × 10-7): sites in LETM1, RBM20, IRS2, MAN2A2 genes and 1q25.3 region were associated with fasting insulin; sites in FCRL6, SLAMF1, APOBEC3H genes and 15q26.1 region were associated with fasting glucose. The association between SLAMF1, APOBEC3H and 15q26.1 methylation sites and glucose emerged only when accounted for BMI. Follow-up in silico cross-omics analyses indicate that the cis-acting meQTLs near SLAMF1 and SLAMF1 expression are involved in glucose level regulation. Moreover, our data suggest that differential methylation in FCRL6 may affect glucose level and the risk of T2D by regulating FCLR6 expression in the liver. In conclusion, the present study provided nine new DNA methylation sites associated with glycemia homeostasis and also provided new insights of glycemia related loci into the genetics, epigenetics and transcriptomics pathways based on the integration of cross-omics data in silico.

Background. The electrocardiographically quantified QRS duration measures ventricular depolarization and conduction. QRS prolongation has been associated with poor heart failure prognosis and cardiovascular mortality, including sudden death. While previous genome-wide association studies (GWAS) have identified 32 QRS SNPs across 26 loci among European, African, and Asian-descent populations, the genetics of QRS among Hispanics/Latinos has not been previously explored. Methods. We performed a GWAS of QRS duration among Hispanic/Latino ancestry populations (n=15,124) from four studies using 1000 Genomes imputed genotype data (adjusted for age, sex, global ancestry, clinical and study-specific covariates). Study-specific results were combined using fixed-effects, inverse variance-weighted meta-analysis. Results. We identified six loci associated with QRS (P<5x10-8), including two novel loci: MYOCD, a nuclear protein expressed in the heart, and SYT1, an integral membrane protein. The top association in the MYOCD locus, intronic SNP rs16946539, was found in Hispanics/Latinos with a minor allele frequency (MAF) of 0.04, but is monomorphic in European and African descent populations. The most significant QRS duration association was for intronic SNP rs3922344 (P= 8.56x10-26) in SCN5A/SCN10A. Three additional previously identified loci, CDKN1A, VTI1A, and HAND1, also exceeded the GWAS significance threshold among Hispanics/Latinos. A total of 27 of 32 previously identified QRS duration SNPs were shown to generalize in Hispanics/Latinos. Conclusions. Our QRS duration GWAS, the first in Hispanic/Latino populations, identified two new loci, underscoring the utility of extending large scale genomic studies to currently under-examined populations.

Abstract This study sought to examine the association between DNA methylation and body mass index (BMI) and the potential utility of these cytosine-phosphate-guanine (CpG) sites in predicting metabolic health. We pooled summary statistics from six trans-ethnic EWAS of BMI representing nine cohorts (n=17058), replicated these findings in the Women’s Health Initiative (WHI, n=4822) and developed an epigenetic prediction score of BMI. In the pooled EWAS, 1265 CpG sites were associated with BMI (p<1E-7), and 1238 replicated in the WHI (FDR < 0.05). We performed several stratified analyses to examine whether these associations differed between individuals of European descent and individuals of African descent. We found five CpG sites had a significant interaction with BMI by race/ethnicity. To examine the utility of the significant CpG sites in predicting BMI, we used elastic net regression to predict log normalized BMI in the WHI (80% training/20% testing). This model found 397 sites could explain 32% of the variance in BMI in the WHI test set. Individuals whose methylome-predicted BMI overestimated their BMI (high epigenetic BMI) had significantly higher glucose and triglycerides, and lower HDL-cholesterol and LDL-cholesterol compared to accurately predicted BMI. Individuals whose methylome-predicted BMI underestimated their BMI (low epigenetic BMI) had significantly higher HDL-cholesterol and lower glucose and triglycerides. This study identified 553 previously identified and 685 novel CpG sites associated with BMI. Participants with high epigenetic BMI had poorer metabolic health suggesting that the overestimation may be driven in part by cardiometabolic derangements characteristic of metabolic syndrome.