ABSTRACT Objectives To determine the analytical validity of SNP-chips for genotyping very rare genetic variants. Design Retrospective study using data from two publicly available resources, the UK Biobank and the Personal Genome Project. Setting Research biobanks and direct-to-consumer genetic testing in the UK and USA. Participants 49,908 individuals recruited to UK Biobank, and 21 individuals who purchased consumer genetic tests and shared their data online via the Personal Genomes Project. Main outcome measures We assessed the analytical validity of genotypes from SNP-chips (index test) with sequencing data (reference standard). We evaluated the genotyping accuracy of the SNP-chips and split the results by variant frequency. We went on to select rare pathogenic variants in the BRCA1 and BRCA2 genes as an exemplar for detailed analysis of clinically-actionable variants in UK Biobank, and assessed BRCA-related cancers (breast, ovarian, prostate and pancreatic) in participants using cancer registry data. Results SNP-chip genotype accuracy is high overall; sensitivity, specificity and precision are all >99% for 108,574 common variants directly genotyped by the UK Biobank SNP-chips. However, the likelihood of a true positive result reduces dramatically with decreasing variant frequency; for variants with a frequency <0.001% in UK Biobank the precision is very low and only 16% of 4,711 variants from the SNP-chips confirm with sequencing data. Results are similar for SNP-chip data from the Personal Genomes Project, and 20/21 individuals have at least one rare pathogenic variant that has been incorrectly genotyped. For pathogenic variants in the BRCA1 and BRCA2 genes, the overall performance metrics of the SNP-chips in UK Biobank are sensitivity 34.6%, specificity 98.3% and precision 4.2%. Rates of BRCA-related cancers in individuals in UK Biobank with a positive SNP-chip result are similar to age-matched controls (OR 1.28, P=0.07, 95% CI: 0.98 to 1.67), while sequence-positive individuals have a significantly increased risk (OR 3.73, P=3.5×10 −12 , 95% CI: 2.57 to 5.40). Conclusion SNP-chips are extremely unreliable for genotyping very rare pathogenic variants and should not be used to guide health decisions without validation. SUMMARY BOX Section 1: What is already known on this topic SNP-chips are an accurate and affordable method for genotyping common genetic variants across the genome. They are often used by direct-to-consumer (DTC) genetic testing companies and research studies, but there several case reports suggesting they perform poorly for genotyping rare genetic variants when compared with sequencing. Section 2: What this study adds Our study confirms that SNP-chips are highly inaccurate for genotyping rare, clinically-actionable variants. Using large-scale SNP-chip and sequencing data from UK Biobank, we show that SNP-chips have a very low precision of <16% for detecting very rare variants (i.e. the majority of variants with population frequency of <0.001% are false positives). We observed a similar performance in a small sample of raw SNP-chip data from DTC genetic tests. Very rare variants assayed using SNP-chips should not be used to guide health decisions without validation.

ABSTRACT Insomnia is a common disorder linked with adverse long-term medical and psychiatric outcomes, but underlying pathophysiological processes and causal relationships with disease are poorly understood. Here we identify 57 loci for self-reported insomnia symptoms in the UK Biobank (n=453,379) and confirm their impact on self-reported insomnia symptoms in the HUNT study (n=14,923 cases, 47,610 controls), physician diagnosed insomnia in Partners Biobank (n=2,217 cases, 14,240 controls), and accelerometer-derived measures of sleep efficiency and sleep duration in the UK Biobank (n=83,726). Our results suggest enrichment of genes involved in ubiquitin-mediated proteolysis, phototransduction and muscle development pathways and of genes expressed in multiple brain regions, skeletal muscle and adrenal gland. Evidence of shared genetic factors is found between frequent insomnia symptoms and restless legs syndrome, aging, cardio-metabolic, behavioral, psychiatric and reproductive traits. Evidence is found for a possible causal link between insomnia symptoms and coronary heart disease, depressive symptoms and subjective well-being. One Sentence Summary We identify 57 genomic regions associated with insomnia pointing to the involvement of phototransduction and ubiquitination and potential causal links to CAD and depression.

Abstract Objective To assess whether body mass index (BMI) has a causal effect on social and socioeconomic factors, including whether both high and low BMI can be detrimental. Design Mendelian Randomization, using genetic variants for BMI to obtain unconfounded estimates, and non-linear Mendelian Randomization. Setting UK Biobank. Participants 378,244 men and women of European ancestry, mean age 57 (SD 8 years). Main outcome measures Townsend deprivation index, income, age completed full time education, degree level education, job class, employment status, cohabiting relationship status, participation in leisure and social activities, visits from friends and family, and having someone to confide in. Results Higher BMI was causally associated with higher deprivation, lower income, fewer years of education, lower odds of degree-level education and skilled employment. For example, a 1 SD higher genetically-determined BMI (4.8kg/m 2 in UK Biobank) was associated with £1,660 less income per annum [95%CI: £950, £2,380]. Non-linear Mendelian Randomization provided evidence that both low BMI (bottom decile, <22kg/m 2 ) and high BMI (top seven deciles, >24.6kg/m 2 ) can increase deprivation and reduce income. In men only, higher BMI was related to lower participation in leisure and social activities. There was no evidence of causal effects of BMI on visits from friends and family or in having someone to confide in. Non-linear Mendelian Randomization analysis showed that low BMI (bottom three deciles, <23.5kg/m 2 ) reduces the odds of cohabiting with a partner or spouse for men, whereas high BMI (top two deciles, >30.7kg/m 2 ) reduces the odds of cohabitation with a partner or spouse for women. Conclusions BMI affects social and socioeconomic outcomes, with both high and low BMI being detrimental for some measures of SEP. This suggests that in addition to health benefits, maintaining healthy ranges of BMI across the population could have benefits both for individuals and society.

Abstract Susceptibility to obesity in today’s environment has a strong genetic component. Lower socioeconomic position (SEP) is associated with a higher risk of obesity but it is not known if it accentuates genetic susceptibility to obesity. We aimed to use up to 120,000 individuals from the UK Biobank study to test the hypothesis that measures of socioeconomic position accentuate genetic susceptibility to obesity. We used the Townsend deprivation index (TDI) as the main measure of socioeconomic position, and a 69-variant genetic risk score (GRS) as a measure of genetic susceptibility to obesity. We also tested the hypothesis that interactions between BMI genetics and socioeconomic position would result in evidence of interaction with individual measures of the obesogenic environment and behaviours that correlate strongly with socioeconomic position, even if they have no obesogenic role. These measures included self-reported TV watching, diet and physical activity, and an objective measure of activity derived from accelerometers. We performed several negative control tests, including a simulated environment correlated with BMI but not TDI, and sun protection use. We found evidence of gene-environment interactions with TDI (P interaction =3×10 −10 ) such that, within the group of 50% living in the most relatively deprived situations, carrying 10 additional BMI-raising alleles was associated with approximately 3.8 kg extra weight in someone 1.73m tall. In contrast, within the group of 50% living in the least deprivation, carrying 10 additional BMI-raising alleles was associated with approximately 2.9 kg extra weight. We also observed evidence of interaction between sun protection use and BMI genetics, suggesting that residual confounding may result in evidence of non-causal interactions. Our findings provide evidence that relative social deprivation best captures aspects of the obesogenic environment that accentuate the genetic predisposition to obesity in the UK.

Using data from 697,828 research participants from 23andMe and UK Biobank, we identified 351 loci associated with being a morning person, a behavioural indicator of a person's underlying circadian rhythm. These loci were validated in 85,760 individuals with activity-monitor derived measures of sleep timing: the mean sleep timing of the 5% of individuals carrying the most "morningness" alleles was 25.1 minutes (95% CI: 22.5, 27.6) earlier than the 5% carrying the fewest. The loci were enriched for genes involved in circadian rhythm and insulin pathways, and those expressed in the retina, hindbrain, hypothalamus, and pituitary (all FDR<1%). We provide some evidence that being a morning person was causally associated with reduced risk of schizophrenia (OR: 0.89; 95% CI: 0.82, 0.96), depression (OR: 0.94; 95% CI: 0.91, 0.98) and a lower age at last childbirth in women (β: -0.046 years; 95% CI: -0.067, -0.025), but was not associated with BMI (β: -4.6x10-4; 95% CI: -0.044, 0.043) or type 2 diabetes (OR: 1.00; 95% CI: 0.91, 1.1). This study offers new insights into the biology of circadian rhythms and disease links in humans.

Women with X chromosome aneuploidy such as 45,X (Turner syndrome) or 47,XXX (Triple X syndrome) present with characteristics including differences in stature, increased cardiovascular disease risk and primary ovarian insufficiency. Many women with X chromosome aneuploidy undergo lifetime clinical monitoring for possible complications. However, ascertainment of cases in the clinic may mean that the phenotypic penetrance is overestimated. Studies of prenatally ascertained X chromosome aneuploidy cases have limited follow-up data and so the long-term consequences into adulthood are often not reported. We aimed to characterise the prevalence and phenotypic consequences of X chromosome aneuploidy in a large population of women over 40 years of age. We detected 30 women with 45,X, 186 with mosaic 45,X/46,XX and 110 with 47,XXX among 244,848 UK Biobank women, using SNP array data. The prevalence of non-mosaic 45,X (1/8,162) and 47,XXX (1/2,226) was lower than expected, but was higher for mosaic 45,X/46,XX (1/1,316). The characteristics of women with 45,X were consistent with the characteristics of a clinically recognised Turner syndrome phenotype, including a 17.2cm shorter stature (SD = 5.72cm; P = 1.5 x 10-53) and 16/30 did not report an age at menarche. The phenotype of women with 47,XXX included taller stature (5.3cm; SD = 5.52cm; P = 5.8 x 10-20), earlier menopause age (5.12 years; SD = 5.1 years; P = 1.2 x 10-14) and a lower fluid intelligence score (24%; SD = 29.7%; P = 3.7 x 10-8). In contrast, the characteristics of women with mosaic 45,X/46,XX were much less pronounced than expected. Women with mosaic 45,X/46,XX were less short, had a normal reproductive lifespan and birth rate, and no reported cardiovascular complications. In conclusion, the availability of data from 244,848 women allowed us to assess the phenotypic penetrance of traits associated with X chromosome aneuploidy in an adult population setting. Our results suggest that the clinical management of women with 45,X/46,XX mosaicism should be minimal, particularly those identified incidentally.

Disrupted circadian rhythms and reduced sleep duration are associated with several human diseases, particularly obesity and type 2 diabetes, but little is known about the genetic factors influencing these heritable traits. We performed genome-wide association studies of self-reported chronotype (morning/evening person) and self-reported sleep duration in 128,266 White British individuals from the UK Biobank study. Sixteen variants were associated with chronotype (P<5x10-8), including variants near the known circadian rhythm genes RGS16 (1.21 odds of morningness [95%CI 1.15, 1.27], P=3x10-12) and PER2 (1.09 odds of morningness [95%CI 1.06, 1.12], P=4x10-10). The PER2 signal has previously been associated with iris function. We sought replication using self-reported data from 89,823 23andMe participants; thirteen of the chronotype signals remained significant at P<5x10-8 on meta-analysis and eleven of these reached P<0.05 in the same direction in the 23andMe study. For sleep duration, we replicated one known signal in PAX8 (2.6 [95%CIs 1.9, 3.2] minutes per allele P=5.7x10-16) and identified and replicated two novel associations at VRK2 (2.0 [95% CI: 1.3, 2.7] minutes per allele, P=1.2x10-9; and 1.6 [95% CI: 1.1, 2.2] minutes per allele, P=7.6x10-9). Although we found genetic correlation between chronotype and BMI (rG=0.056, P=0.048); undersleeping and BMI (rG=0.147, P=1x10-5) and oversleeping and BMI (rG=0.097, P=0.039), Mendelian Randomisation analyses provided no consistent evidence of causal associations between BMI or type 2 diabetes and chronotype or sleep duration. Our study provides new insights into the biology of sleep and circadian rhythms in humans.

Over 100,000 genetic variants are classified as disease-causing in public databases. However, the true penetrance of many of these rare alleles is uncertain and may be over-estimated by clinical ascertainment. As more people undergo genome sequencing there is an increasing need to assess the true penetrance of alleles. Until recently, this was not possible in a population-based setting. Here, we use data from 388,714 UK Biobank (UKB) participants of European ancestry to assess the pathogenicity and penetrance of putatively clinically important rare variants. Although rare variants are harder to genotype accurately than common variants, we were able to classify 1,244 of 4,585 (27%) putatively clinically relevant rare variants genotyped on the UKB microarray as high-quality. We defined 'rare' as variants with a minor allele frequency of <0.01, and 'clinically relevant' as variants that were either classified as pathogenic/likely pathogenic in ClinVar or are in genes known to cause two specific monogenic diseases in which we have some expertise: Maturity-Onset Diabetes of the Young (MODY) and severe developmental disorders (DD). We assessed the penetrance and pathogenicity of these high-quality variants by testing their association with 401 clinically-relevant traits available in UKB. We identified 27 putatively clinically relevant rare variants associated with a UKB trait but that exhibited reduced penetrance or variable expressivity compared with their associated disease. For example, the P415A PER3 variant that has been reported to cause familial advanced sleep phase syndrome is present at 0.5% frequency in the population and associated with an odds ratio of 1.38 for being a morning person (P=2x10-18). We also observed novel associations with relevant traits for heterozygous carriers of some rare recessive conditions, e.g. heterozygous carriers of the R799W ERCC4 variant that causes Xeroderma pigmentosum were more susceptible to sunburn (one extra sunburn episode reported, P=2x10-8). Within our two disease subsets, we were able to refine the penetrance estimate for the R114W HNF4A variant in diabetes (only ~10% by age 40yrs) and refute the previous disease-association of RNF135 in developmental disorders. In conclusion, this study shows that very large population-based studies will help refine the penetrance estimates of rare variants. This information will be important for anyone receiving information about their health based on putatively pathogenic variants.

One in four adults worldwide are either overweight or obese. Epidemiological studies indicate that the location and distribution of excess fat, rather than general adiposity, is most informative for predicting risk of obesity sequellae, including cardiometabolic disease and cancer. We performed a genome-wide association study meta-analysis of body fat distribution, measured by waist-to-hip ratio adjusted for BMI (WHRadjBMI), and identified 463 signals in 346 loci. Heritability and variant effects were generally stronger in women than men, and we found approximately one-third of all signals to be sexually dimorphic. The 5% of individuals carrying the most WHRadjBMI-increasing alleles were 1.62 times more likely than the bottom 5% to have a WHR above the thresholds used for metabolic syndrome. These data, made publicly available, will inform the biology of body fat distribution and its relationship with disease.

Sleep is an essential homeostatically-regulated state of decreased activity and alertness conserved across animal species, and both short and long sleep duration associate with chronic disease and all-cause mortality. Defining genetic contributions to sleep duration could point to regulatory mechanisms and clarify causal disease relationships. Through genome-wide association analyses in 446,118 participants of European ancestry from the UK Biobank, we discover 78 loci for self-reported sleep duration that further impact accelerometer-derived measures of sleep duration, daytime inactivity duration, sleep efficiency and number of sleep bouts in a subgroup (n=85,499) with up to 7-day accelerometry. Associations are enriched for genes expressed in several brain regions, and for pathways including striatum and subpallium development, mechanosensory response, dopamine binding, synaptic neurotransmission, catecholamine production, synaptic plasticity, and unsaturated fatty acid metabolism. Genetic correlation analysis indicates shared biological links between sleep duration and psychiatric, cognitive, anthropometric and metabolic traits and Mendelian randomization highlights a causal link of longer sleep with schizophrenia.