Abstract To study the effect of host genetics on gut microbiome composition, the MiBioGen consortium curated and analyzed genome-wide genotypes and 16S fecal microbiome data from 18,340 individuals (24 cohorts). Microbial composition showed high variability across cohorts: only 9 out of 410 genera were detected in more than 95% samples. A genome-wide association study (GWAS) of host genetic variation in relation to microbial taxa identified 31 loci affecting microbiome at a genome-wide significant (P<5×10 −8 ) threshold. One locus, the lactase ( LCT ) gene locus, reached study-wide significance (GWAS signal P=1.28×10 −20 ), and it showed an age-dependent association with Bifidobacterium abundance. Other associations were suggestive (1.95×10 −10 <P<5×10 −8 ) but enriched for taxa showing high heritability and for genes expressed in the intestine and brain. A phenome-wide association study and Mendelian randomization identified enrichment of microbiome trait loci in the metabolic, nutrition and environment domains and suggested the microbiome has causal effects in ulcerative colitis and rheumatoid arthritis.

Abstract Mitochondrial DNA copy number (mtDNA-CN) measured from blood specimens is a minimally invasive marker of mitochondrial function that exhibits both inter-individual and intercellular variation. To identify genes involved in regulating mitochondrial function, we performed a genome-wide association study (GWAS) in 465,809 White individuals from the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the UK Biobank (UKB). We identified 133 SNPs with statistically significant, independent effects associated with mtDNA-CN across 100 loci. A combination of fine-mapping, variant annotation, and co-localization analyses were used to prioritize genes within each of the 133 independent sites. Putative causal genes were enriched for known mitochondrial DNA depletion syndromes ( p = 3.09 x 10 −15 ) and the gene ontology (GO) terms for mtDNA metabolism ( p = 1.43 x 10 −8 ) and mtDNA replication ( p = 1.2 x 10 −7 ). A clustering approach leveraged pleiotropy between mtDNA-CN associated SNPs and 41 mtDNA-CN associated phenotypes to identify functional domains, revealing three distinct groups, including platelet activation, megakaryocyte proliferation, and mtDNA metabolism. Finally, using mitochondrial SNPs, we establish causal relationships between mitochondrial function and a variety of blood cell related traits, kidney function, liver function and overall ( p = 0.044) and non-cancer mortality ( p = 6.56 x 10 −4 ).

Abstract Handedness, a consistent asymmetry in skill or use of the hands, has been studied extensively because of its relationship with language and the over-representation of left-handers in some neurodevelopmental disorders. Using data from the UK Biobank, 23andMe and 32 studies from the International Handedness Consortium, we conducted the world’s largest genome-wide association study of handedness (1,534,836 right-handed, 194,198 (11.0%) left-handed and 37,637 (2.1%) ambidextrous individuals). We found 41 genetic loci associated with left-handedness and seven associated with ambidexterity at genome-wide levels of significance (P < 5×10 −8 ). Tissue enrichment analysis implicated the central nervous system and brain tissues including the hippocampus and cerebrum in the etiology of left-handedness. Pathways including regulation of microtubules, neurogenesis, axonogenesis and hippocampus morphology were also highlighted. We found suggestive positive genetic correlations between being left-handed and some neuropsychiatric traits including schizophrenia and bipolar disorder. SNP heritability analyses indicated that additive genetic effects of genotyped variants explained 5.9% (95% CI = 5.8% – 6.0%) of the underlying liability of being left-handed, while the narrow sense heritability was estimated at 12% (95% CI = 7.2% – 17.7%). Further, we show that genetic correlation between left-handedness and ambidexterity is low (r g = 0.26; 95% CI = 0.08 – 0.43) implying that these traits are largely influenced by different genetic mechanisms. In conclusion, our findings suggest that handedness, like many other complex traits is highly polygenic, and that the genetic variants that predispose to left-handedness may underlie part of the association with some psychiatric disorders that has been observed in multiple observational studies.

Osteocytes are master regulators of the skeleton. We map the transcriptome of osteocytes at different skeletal sites, across age and sexes in mice to reveal genes and molecular programs that control this complex cell-network. We define an osteocyte transcriptome signature, 1239 genes that distinguishes osteocytes from other cells. 77% have no known role in the skeleton. We show they are enriched for genes controlling neuronal network formation, suggesting this program is important in the osteocyte network. We evaluated 19 skeletal parameters in 733 mouse lines with functional-gene-deletions and reveal 26 osteocyte transcriptome signature genes that control bone structure and function. We showed osteocyte transcriptome signature genes are enriched for human homologues that cause monogenic skeletal dysplasias (P=6x10-17), and associated with polygenic diseases, osteoporosis (P=1.8x10-13), and osteoarthritis (P=2.6x10-6). This reveals the molecular landscape that regulates osteocyte network formation and function, and establishes the importance of osteocytes in human skeletal disease.### Competing Interest StatementT.G.P is a consultant for Imugene Pty Ltd, an Australian biotech working in cancer immunotherapy. P.I.C has funding from AMGEN for studies of cancer dormancy. Neither competing interests are the subject of this manuscript.

Osteoporosis is a common debilitating chronic disease diagnosed primarily using bone mineral density (BMD). We undertook a comprehensive assessment of human genetic determinants of bone density in 426,824 individuals, identifying a total of 518 genome-wide significant loci, (301 novel), explaining 20% of the total variance in BMD - as estimated by heel quantitative ultrasound (eBMD). Next, meta-analysis identified 13 bone fracture loci in ~1.2M individuals, which were also associated with BMD. We then identified target genes from cell-specific genomic landscape features, including chromatin conformation and accessible chromatin sites, that were strongly enriched for genes known to influence bone density and strength (maximum odds ratio = 58, P = 10E-75). We next performed rapid throughput skeletal phenotyping of 126 knockout mice lacking eBMD Target Genes and showed that these mice had an increased frequency of abnormal skeletal phenotypes compared to 526 unselected lines (P < 0.0001). In-depth analysis of one such Target Gene, DAAM2, showed a disproportionate decrease in bone strength relative to mineralization. This comprehensive human and murine genetic atlas provides empirical evidence testing how to link associated SNPs to causal genes, offers new insights into osteoporosis pathophysiology and highlights opportunities for drug development.

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.

Background: Clinical recommendations to limit gestational weight gain (GWG) imply high GWG is causally related to adverse outcomes in mother or offspring, but GWG is the sum of several inter-related complex phenotypes (maternal fat deposition and vascular expansion, placenta, amniotic fluid and fetal growth). Understanding the genetic contribution to GWG could help clarify the potential effect of its different components on maternal and offspring health. Here we explore the genetic contribution to total, early and late GWG. Participants and Methods: A genome-wide association study was used to identify maternal and fetal variants contributing to GWG in up to 10,543 mothers and up to 16,317 offspring of European origin, with replication in 10,660 mothers and 7,561 offspring. Additional analyses determined the proportion of variability in GWG from maternal and fetal common genetic variants and the overlap of established genome-wide significant variants for phenotypes relevant to GWG (e.g. maternal BMI and glucose, birthweight). Results: We found that approximately 20% of the variability in GWG was tagged by common maternal genetic variants, and that the fetal genome made a surprisingly minor contribution to explaining variation in GWG. We were unable to identify any genetic variants that reached genome-wide levels of significance (P<5x10-8) and replicated. Some established maternal variants associated with increased BMI, fasting glucose and type 2 diabetes were associated with lower early, and higher later GWG. Maternal variants related to higher systolic blood pressure were related to lower late GWG. Established maternal and fetal birthweight variants were largely unrelated to GWG. Conclusion: We found a modest contribution of maternal common variants to GWG and some overlap of maternal BMI, glucose and type 2 diabetes variants with GWG. These findings suggest that associations between GWG and later offspring/maternal outcomes may be due to the relationship of maternal BMI and gestational diabetes with GWG.

Early childhood growth patterns are associated with adult metabolic health, but the underlying mechanisms are unclear. We performed genome-wide meta-analyses and follow-up in up to 22,769 European children for six early growth phenotypes derived from longitudinal data: peak height and weight velocities, age and body mass index (BMI) at adiposity peak (AP ~9 months) and rebound (AR ~5-6 years). We identified four associated loci (P< 5x10-8): LEPR/LEPROT with BMI at AP, FTO and TFAP2B with Age at AR and GNPDA2 with BMI at AR. The observed AR-associated SNPs at FTO, TFAP2B and GNPDA2 represent known adult BMI-associated variants. The common BMI at AP associated variant at LEPR/LEPROT was not associated with adult BMI but was associated with LEPROT gene expression levels, especially in subcutaneous fat (P<2x10-51). We identify strong positive genetic correlations between early growth and later adiposity traits, and analysis of the full discovery stage results for Age at AR revealed enrichment for insulin-like growth factor 1 (IGF-1) signaling and apolipoprotein pathways. This genome-wide association study suggests mechanistic links between early childhood growth and adiposity in later childhood and adulthood, highlighting these early growth phenotypes as potential targets for the prevention of obesity.

Expression quantitative trait locus (eQTL) mapping on tissue, organ or whole organism data can detect associations that are generic across cell types. We describe a new method to focus upon specific cell types without first needing to sort cells. We applied the method to whole blood data from 5,683 samples and demonstrate that SNPs associated with Crohn’s disease preferentially affect gene expression within neutrophils.