Myocardial infarction (MI), a leading cause of death around the world, displays a complex pattern of inheritance. When MI occurs early in life, genetic inheritance is a major component to risk. Previously, rare mutations in low-density lipoprotein (LDL) genes have been shown to contribute to MI risk in individual families, whereas common variants at more than 45 loci have been associated with MI risk in the population. Here we evaluate how rare mutations contribute to early-onset MI risk in the population. We sequenced the protein-coding regions of 9,793 genomes from patients with MI at an early age (≤50 years in males and ≤60 years in females) along with MI-free controls. We identified two genes in which rare coding-sequence mutations were more frequent in MI cases versus controls at exome-wide significance. At low-density lipoprotein receptor (LDLR), carriers of rare non-synonymous mutations were at 4.2-fold increased risk for MI; carriers of null alleles at LDLR were at even higher risk (13-fold difference). Approximately 2% of early MI cases harbour a rare, damaging mutation in LDLR; this estimate is similar to one made more than 40 years ago using an analysis of total cholesterol. Among controls, about 1 in 217 carried an LDLR coding-sequence mutation and had plasma LDL cholesterol > 190 mg dl(-1). At apolipoprotein A-V (APOA5), carriers of rare non-synonymous mutations were at 2.2-fold increased risk for MI. When compared with non-carriers, LDLR mutation carriers had higher plasma LDL cholesterol, whereas APOA5 mutation carriers had higher plasma triglycerides. Recent evidence has connected MI risk with coding-sequence mutations at two genes functionally related to APOA5, namely lipoprotein lipase and apolipoprotein C-III (refs 18, 19). Combined, these observations suggest that, as well as LDL cholesterol, disordered metabolism of triglyceride-rich lipoproteins contributes to MI risk.

A scavenger that protects the heart Coronary heart disease is a tale of two forms of plasma cholesterol. In contrast to the well-established effects of “bad” cholesterol (LDL-C), the role of “good” cholesterol (HDL-C) is mysterious. Elevated HDL-C correlates with a lower risk of heart disease, yet drugs that raise HDL-C levels do not reduce risk. Zanoni et al. found that some people with exceptionally high levels of HDL-C carry a rare sequence variant in the gene encoding the major HDL-C receptor, scavenger receptor BI. This variant destroys the receptor's ability to take up HDL-C. Interestingly, people with this variant have a higher risk of heart disease despite having high levels of HDL-C. Science , this issue p. 1166

Background: Relative risk reduction with statin therapy has been consistent across nearly all subgroups studied to date. However, in analyses of 2 randomized controlled primary prevention trials (ASCOT [Anglo-Scandinavian Cardiac Outcomes Trial–Lipid-Lowering Arm] and JUPITER [Justification for the Use of Statins in Prevention: An Intervention Trial Evaluating Rosuvastatin]), statin therapy led to a greater relative risk reduction among a subgroup at high genetic risk. Here, we aimed to confirm this observation in a third primary prevention randomized controlled trial. In addition, we assessed whether those at high genetic risk had a greater burden of subclinical coronary atherosclerosis. Methods: We studied participants from a randomized controlled trial of primary prevention with statin therapy (WOSCOPS [West of Scotland Coronary Prevention Study]; n=4910) and 2 observational cohort studies (CARDIA [Coronary Artery Risk Development in Young Adults] and BioImage; n=1154 and 4392, respectively). For each participant, we calculated a polygenic risk score derived from up to 57 common DNA sequence variants previously associated with coronary heart disease. We compared the relative efficacy of statin therapy in those at high genetic risk (top quintile of polygenic risk score) versus all others (WOSCOPS), as well as the association between the polygenic risk score and coronary artery calcification (CARDIA) and carotid artery plaque burden (BioImage). Results: Among WOSCOPS trial participants at high genetic risk, statin therapy was associated with a relative risk reduction of 44% (95% confidence interval [CI], 22–60; P <0.001), whereas in all others, the relative risk reduction was 24% (95% CI, 8–37; P =0.004) despite similar low-density lipoprotein cholesterol lowering. In a study-level meta-analysis across the WOSCOPS, ASCOT, and JUPITER primary prevention, relative risk reduction in those at high genetic risk was 46% versus 26% in all others ( P for heterogeneity=0.05). Across all 3 studies, the absolute risk reduction with statin therapy was 3.6% (95% CI, 2.0–5.1) among those in the high genetic risk group and 1.3% (95% CI, 0.6–1.9) in all others. Each 1-SD increase in the polygenic risk score was associated with 1.32-fold (95% CI, 1.04–1.68) greater likelihood of having coronary artery calcification and 9.7% higher (95% CI, 2.2–17.8) burden of carotid plaque. Conclusions: Those at high genetic risk have a greater burden of subclinical atherosclerosis and derive greater relative and absolute benefit from statin therapy to prevent a first coronary heart disease event. Clinical Trial Registration: URL: http://www.clinicaltrials.gov . Unique identifiers: NCT00738725 (BioImage) and NCT00005130 (CARDIA). WOSCOPS was carried out and completed before the requirement for clinical trial registration.

There is tremendous potential for genome sequencing to improve clinical diagnosis and care once it becomes routinely accessible, but this will require formalizing research methods into clinical best practices in the areas of sequence data generation, analysis, interpretation and reporting. The CLARITY Challenge was designed to spur convergence in methods for diagnosing genetic disease starting from clinical case history and genome sequencing data. DNA samples were obtained from three families with heritable genetic disorders and genomic sequence data were donated by sequencing platform vendors. The challenge was to analyze and interpret these data with the goals of identifying disease-causing variants and reporting the findings in a clinically useful format. Participating contestant groups were solicited broadly, and an independent panel of judges evaluated their performance. A total of 30 international groups were engaged. The entries reveal a general convergence of practices on most elements of the analysis and interpretation process. However, even given this commonality of approach, only two groups identified the consensus candidate variants in all disease cases, demonstrating a need for consistent fine-tuning of the generally accepted methods. There was greater diversity of the final clinical report content and in the patient consenting process, demonstrating that these areas require additional exploration and standardization. The CLARITY Challenge provides a comprehensive assessment of current practices for using genome sequencing to diagnose and report genetic diseases. There is remarkable convergence in bioinformatic techniques, but medical interpretation and reporting are areas that require further development by many groups.

Ezetimibe lowers plasma levels of low-density lipoprotein (LDL) cholesterol by inhibiting the activity of the Niemann-Pick C1-like 1 (NPC1L1) protein. However, whether such inhibition reduces the risk of coronary heart disease is not known. Human mutations that inactivate a gene encoding a drug target can mimic the action of an inhibitory drug and thus can be used to infer potential effects of that drug.We sequenced the exons of NPC1L1 in 7364 patients with coronary heart disease and in 14,728 controls without such disease who were of European, African, or South Asian ancestry. We identified carriers of inactivating mutations (nonsense, splice-site, or frameshift mutations). In addition, we genotyped a specific inactivating mutation (p.Arg406X) in 22,590 patients with coronary heart disease and in 68,412 controls. We tested the association between the presence of an inactivating mutation and both plasma lipid levels and the risk of coronary heart disease.With sequencing, we identified 15 distinct NPC1L1 inactivating mutations; approximately 1 in every 650 persons was a heterozygous carrier for 1 of these mutations. Heterozygous carriers of NPC1L1 inactivating mutations had a mean LDL cholesterol level that was 12 mg per deciliter (0.31 mmol per liter) lower than that in noncarriers (P=0.04). Carrier status was associated with a relative reduction of 53% in the risk of coronary heart disease (odds ratio for carriers, 0.47; 95% confidence interval, 0.25 to 0.87; P=0.008). In total, only 11 of 29,954 patients with coronary heart disease had an inactivating mutation (carrier frequency, 0.04%) in contrast to 71 of 83,140 controls (carrier frequency, 0.09%).Naturally occurring mutations that disrupt NPC1L1 function were found to be associated with reduced plasma LDL cholesterol levels and a reduced risk of coronary heart disease. (Funded by the National Institutes of Health and others.).

Familial combined hypolipidemia, a Mendelian condition characterized by substantial reductions in all 3 major lipid fractions, is caused by mutations that inactivate the gene angiopoietin-like 3 (ANGPTL3). Whether ANGPTL3 deficiency reduces risk of coronary artery disease (CAD) is unknown.The study goal was to leverage 3 distinct lines of evidence-a family that included individuals with complete (compound heterozygote) ANGPTL3 deficiency, a population based-study of humans with partial (heterozygote) ANGPTL3 deficiency, and biomarker levels in patients with myocardial infarction (MI)-to test whether ANGPTL3 deficiency is associated with lower risk for CAD.We assessed coronary atherosclerotic burden in 3 individuals with complete ANGPTL3 deficiency and 3 wild-type first-degree relatives using computed tomography angiography. In the population, ANGPTL3 loss-of-function (LOF) mutations were ascertained in up to 21,980 people with CAD and 158,200 control subjects. LOF mutations were defined as nonsense, frameshift, and splice-site variants, along with missense variants resulting in <25% of wild-type ANGPTL3 activity in a mouse model. In a biomarker study, circulating ANGPTL3 concentration was measured in 1,493 people who presented with MI and 3,232 control subjects.The 3 individuals with complete ANGPTL3 deficiency showed no evidence of coronary atherosclerotic plaque. ANGPTL3 gene sequencing demonstrated that approximately 1 in 309 people was a heterozygous carrier for an LOF mutation. Compared with those without mutation, heterozygous carriers of ANGPTL3 LOF mutations demonstrated a 17% reduction in circulating triglycerides and a 12% reduction in low-density lipoprotein cholesterol. Carrier status was associated with a 34% reduction in odds of CAD (odds ratio: 0.66; 95% confidence interval: 0.44 to 0.98; p = 0.04). Individuals in the lowest tertile of circulating ANGPTL3 concentrations, compared with the highest, had reduced odds of MI (adjusted odds ratio: 0.65; 95% confidence interval: 0.55 to 0.77; p < 0.001).ANGPTL3 deficiency is associated with protection from CAD.

Exome sequencing studies in complex diseases are challenged by the allelic heterogeneity, large number and modest effect sizes of associated variants on disease risk and the presence of large numbers of neutral variants, even in phenotypically relevant genes. Isolated populations with recent bottlenecks offer advantages for studying rare variants in complex diseases as they have deleterious variants that are present at higher frequencies as well as a substantial reduction in rare neutral variation. To explore the potential of the Finnish founder population for studying low-frequency (0.5–5%) variants in complex diseases, we compared exome sequence data on 3,000 Finns to the same number of non-Finnish Europeans and discovered that, despite having fewer variable sites overall, the average Finn has more low-frequency loss-of-function variants and complete gene knockouts. We then used several well-characterized Finnish population cohorts to study the phenotypic effects of 83 enriched loss-of-function variants across 60 phenotypes in 36,262 Finns. Using a deep set of quantitative traits collected on these cohorts, we show 5 associations (p<5×10−8) including splice variants in LPA that lowered plasma lipoprotein(a) levels (P = 1.5×10−117). Through accessing the national medical records of these participants, we evaluate the LPA finding via Mendelian randomization and confirm that these splice variants confer protection from cardiovascular disease (OR = 0.84, P = 3×10−4), demonstrating for the first time the correlation between very low levels of LPA in humans with potential therapeutic implications for cardiovascular diseases. More generally, this study articulates substantial advantages for studying the role of rare variation in complex phenotypes in founder populations like the Finns and by combining a unique population genetic history with data from large population cohorts and centralized research access to National Health Registers.

Shamil Sunyaev and colleagues present exome sequencing methods and their applications in studies to identify the genetic basis of human complex traits. They include analyses of the whole-exome sequences of 438 individuals from across several studies.