White adipose tissue, once regarded as morphologically and functionally bland, is now recognized to be dynamic, plastic and heterogenous, and is involved in a wide array of biological processes including energy homeostasis, glucose and lipid handling, blood pressure control and host defence1. High-fat feeding and other metabolic stressors cause marked changes in adipose morphology, physiology and cellular composition1, and alterations in adiposity are associated with insulin resistance, dyslipidemia and type 2 diabetes2. Here we provide detailed cellular atlases of human and mouse subcutaneous and visceral white fat at single-cell resolution across a range of body weight. We identify subpopulations of adipocytes, adipose stem and progenitor cells, vascular and immune cells and demonstrate commonalities and differences across species and dietary conditions. We link specific cell types to increased risk of metabolic disease and provide an initial blueprint for a comprehensive set of interactions between individual cell types in the adipose niche in leanness and obesity. These data comprise an extensive resource for the exploration of genes, traits and cell types in the function of white adipose tissue across species, depots and nutritional conditions. A single-cell atlas of white adipose tissue from mouse and human reveals diverse cell types and similarities and differences across species and dietary conditions.

Summary A primary obstacle in translating genetics and genomics data into therapeutic strategies is elucidating the cellular programs affected by genetic variants and genes associated with human diseases. Broadly applicable high-throughput, unbiased assays offer a path to rapidly characterize gene and variant function and thus illuminate disease mechanisms. Here, we report LipocyteProfiler, an unbiased high-throughput, high-content microscopy assay that is amenable to large-scale morphological and cellular profiling of lipid-accumulating cell types. We apply LipocyteProfiler to adipocytes and hepatocytes and demonstrate its ability to survey diverse cellular mechanisms by generating rich context-, and process-specific morphological and cellular profiles. We then use LipocyteProfiler to identify known and novel cellular programs altered by polygenic risk of metabolic disease, including insulin resistance, waist-to-hip ratio and the polygenic contribution to lipodystrophy. LipocyteProfiler paves the way for large-scale forward and reverse phenotypic profiling in lipid-storing cells, and provides a framework for the unbiased identification of causal relationships between genetic variants and cellular programs relevant to human disease.

ABSTRACT Adipose tissue is an organ with great plasticity and its hypertrophic expansion is associated with adipocyte dysfunction. How changes in adipocyte morphology are linked to gene expression and which cellular functions are affected remains elusive. We show that adipocyte hypertrophy is associated with transcriptomic changes using RNA-Seq data obtained from adipose tissue and size-separated adipocytes. Genes involved in oxidative phosphorylation, protein biosynthesis and fatty acid metabolism were down-regulated in large adipocytes while genes involved in inflammation were upregulated. For mitochondrial function, a reduction in the expression of thermogenesis related genes and estimated brown/beige adipocyte content was observed in individuals with large adipocytes. As a novel finding the total adipose tissue fatty acid composition was dependent on cell size and depot. MR spectroscopy methods for clinical scanning were developed to characterize adipocyte size and fatty acid composition in a fast and non-invasive manner. Together, the present data provides mechanistic insights on how adipocyte hypertrophy contributes to the manifestation of metabolic disease at the molecular and cellular level. MR spectroscopy was identified as a promising technique for an in-parallel assessment of adipose morphology and fatty acid composition allowing to translate our findings into an improved, non-invasive phenotyping of adipose tissue.

ABSTRACT White adipose tissue (WAT), once regarded as morphologically and functionally bland, is now recognized to be dynamic, plastic, heterogenous, and involved in a wide array of biological processes including energy homeostasis, glucose and lipid handling, blood pressure control, and host defense 1 . High fat feeding and other metabolic stressors cause dramatic changes in adipose morphology, physiology, and cellular composition 1 , and alterations in adiposity are associated with insulin resistance, dyslipidemia, and type 2 diabetes (T2D) 2 . Here, we provide detailed cellular atlases of human and murine subcutaneous and visceral white fat at single cell resolution across a range of body weight. We identify subpopulations of adipocytes, adipose stem and progenitor cells (ASPCs), vascular, and immune cells and demonstrate commonalities and differences across species and dietary conditions. We link specific cell types to increased risk of metabolic disease, and we provide an initial blueprint for a comprehensive set of interactions between individual cell types in the adipose niche in leanness and obesity. These data comprise an extensive resource for the exploration of genes, traits, and cell types in the function of WAT across species, depots, and nutritional conditions.

GWAS of erectile dysfunction (ED) in 6,175 cases among 223,805 European men identified one new locus at 6q16.3 (lead variant rs57989773, OR 1.20 per C-allele; p = 5.71×10-14), located between MCHR2 and SIM1. In-silico analysis suggests SIM1 to confer ED risk through hypothalamic dysregulation; Mendelian randomization indicates genetic risk of type 2 diabetes causes ED. Our findings provide novel insights into the biological underpinnings of ED.

Genetic studies have recently highlighted the importance of fat distribution, as well as overall adiposity, in the pathogenesis of obesity-associated diseases. Using a large study (n = 1,288) from 4 independent studies, we aimed to investigate the relationship between adipocyte area and obesity-related traits, and identify genetic factors associated with adipocyte cell size. To perform the first large-scale study of automatic adipocyte phenotyping using both histological and genetic data, we developed a deep learning-based method, the Adipocyte U-Net, to rapidly derive area estimates from histology images. We validate our method using three state-of-the-art approaches; Adiposoft, CellProfiler and floating adipocytes, all run blindly on two external cohorts. We observe high concordance between our method and the state-of-the-art approaches (Adipocyte U-net vs. CellProfiler: R2visceral= 0.94, P < 2.2 × 10−16, R2subcutaneous= 0.91, P < 2.2 × 10−16), and faster run times (10,000 images: 6mins vs 3.5hrs). We applied the Adipocyte U-Net to 4 cohorts with histology, genetic, and phenotypic data (total N = 820). After meta-analysis, we found that adipocyte area positively correlated with body mass index (BMI) (Psubq= 8.13 × 10−69, βsubq = 0.45; Pvisc= 2.5 × 10−55, βvisc = 0.49; average R2 across cohorts = 0.49) and that adipocytes in subcutaneous depots are larger than their visceral counterparts (Pmeta= 9.8 × 10−7). Lastly, we performed the largest GWAS and subsequent meta-analysis of adipocyte area and intra-individual adipocyte variation (N = 820). Despite having twice the number of samples than any similar study, we found no genome-wide significant associations, suggesting that larger sample sizes and a homogenous collection of adipose tissue are likely needed to identify robust genetic associations.

Miscarriage is a common complex trait that affects 10-25% of clinically confirmed pregnancies. Here we present the first large-scale genetic association analyses with 69,118 cases from five different ancestries for sporadic miscarriage and 750 cases of European ancestry for recurrent miscarriage, and up to 359,469 female controls. We identify one genome-wide significant association on chromosome 13 (rs146350366, minor allele frequency (MAF) 1.2%, Pmeta=3.2×10-8, odds ratio (OR) 1.4 (95% confidence interval (CI) 1.2-1.6) for sporadic miscarriage in our European ancestry meta-analysis (50,060 cases and 174,109 controls), located near FGF9 involved in pregnancy maintenance and progesterone production. Additionally, we identified three genome-wide significant associations for recurrent miscarriage, including a signal on chromosome 9 (rs7859844, MAF=6.4%, Pmeta=1.3×10-8, OR=1.7 (1.4-2.0)) physically interacting with TLE1/TLE4 involved in controlling extravillous trophoblast motility. We further investigate the genetic architecture of miscarriage with biobank-scale Mendelian randomization, heritability and, genetic correlation analyses. Our results implicate that miscarriage etiopathogenesis is partly driven by genetic variation related to gonadotropin regulation, placental biology and progesterone production.

Abstract Background IRX3 is implicated in genetic predisposition to obesity via the FTO variant locus. IRX3 shows FTO risk allele-dependent upregulation specifically during early adipogenesis, leading to a shift from energy-dissipation to fat storage in mature adipocytes. However, how changes in IRX3 expression at one developmental stage affect cellular phenotype at a later stage remains unclear. We here hypothesize that IRX3 regulates adipocyte development via transcriptional modulation of epigenetic reprogramming factors. Methods We combined ChIP-, ATAC- and RNA-sequencing to map direct Irx3 target genes in regions of open chromatin during early adipogenesis of wild-type and Irx3- KO preadipocytes. Gene ontology analyses was performed to identify significantly enriched biological pathways. Denaturing western blotting was used to assess sumoylation levels, and the inhibitor ML-792 was used to specifically block sumoylation. Luciferase assays were performed to estimate effects of ML-792 on Pparγ activity. Bodipy lipid staining, immunofluorescence and qPCR were employed to assess adipogenic differentiation in 3D culture. Alkaline phosphatase and Alizarine Red S staining, as well as immunofluorescence and qPCR were used to assess osteogenic differentiation in 3D culture. Results We identified more than 300 Irx3 binding sites in preadipocytes, and these were almost exclusively restricted to promoter regions, with a strong enrichment of genes related to sumoylation, histone modifications and chromatin remodeling. Genes from every step of the sumoylation cycle were bound by Irx3 and differentially expressed in response to Irx3 -KO, leading to increased global sumoylation levels in the KO cells. Irx3 ablation and elevated sumoylation inhibited Pparγ activity and adipogenic differentiation in preadipocytes, both of which could be restored by pharmacological inhibition of sumoylation. The Irx3- KO cells demonstrated reduced epigenetic suppression against osteogenesis, resulting in increased osteogenesis in 3D culture. Finally, osteogenesis induced by Irx3 ablation could partially be reversed by inhibition of sumoylation. Conclusions Our study has uncovered IRX3 as a novel upstream regulator of sumoylation, and a potent controller of epigenetic regulators, both directly and indirectly via suppressing global sumoylation levels. This study indicates that the FTO locus promotes obesity via IRX3-mediated suppression of sumoylation, which promotes adipogenic commitment and differentiation through epigenetic programming. Graphical abstract

Background: Inhibition of sclerostin is a novel therapeutic approach to lowering fracture risk. However, phase III randomised controlled trials (RCTs) of romosozumab, a monoclonal antibody that inhibits sclerostin, suggest an imbalance of serious cardiovascular events. Methods: We used two independent genetic variants (rs7209826 and rs188810925) in SOST (encoding sclerostin) associated with bone mineral density (BMD) as proxies for therapeutic inhibition of sclerostin. We estimated the effects on risk of osteoporosis, fracture, coronary heart disease (CHD) and a further 22 cardiometabolic risk factors and diseases, by combining data from up to 478,967 participants of European ancestry from three prospective cohorts and up to 1,030,836 participants from nine GWAS consortia. In addition, we performed meta-analyses of cardiovascular outcome data from phase III RCTs of romosozumab. Results: Meta-analysis of RCTs identified a higher risk of cardiac ischemic events in patients randomised to romosozumab (25 events among 4,298 individuals; odds ratio [OR] 2.98; 95% confidence interval [CI], 1.18 to 7.55; P=0.017). Scaled to the equivalent dose of romosozumab (210mg/month; 0.09 g/cm2 higher BMD), the SOST variants associated with lower risk of fracture (OR, 0.59; 95% CI, 0.54-0.66; P= 1.4x10-24), and osteoporosis (OR, 0.43; 95% CI, 0.36-0.52; P=2.4x10-18). The SOST variants associated with higher risk of myocardial infarction and/or coronary revascularisation (69,649 cases; OR, 1.18; 95% CI, 1.06-1.32; P=0.003) and type 2 diabetes (OR 1.15; 95% CI, 1.05-1.27; P=0.003), higher systolic blood pressure (1.3mmHg; 95% CI 0.8-1.9; P=5.9x10-6) and waist-to-hip-ratio adjusted for BMI (0.05 SDs; 95% CI, 0.02 to 0.08; P=8.5x10-4). Conclusion: Genetically and therapeutically lowered sclerostin leads to higher risk of cardiovascular events. Rigorous evaluation of the cardiovascular safety of romosozumab and other sclerostin inhibitors is warranted.

Abstract The normal menstrual cycle requires a delicate interplay between the hypothalamus, pituitary, and ovary. Therefore, its length is an important indicator of female reproductive health. Menstrual cycle length has been shown to be partially controlled by genetic factors, especially in the follicle stimulating hormone beta-subunit ( FSHB ) locus. GWAS meta-analysis of menstrual cycle length in 44,871 women of European ancestry confirmed the previously observed association with the FSHB locus and identified four additional novel signals in, or near, the GNRH1, PGR, NR5A2 and INS-IGF2 genes. These findings confirm the role of the hypothalamic-pituitary-gonadal axis in the genetic regulation of menstrual cycle length, but also highlight potential novel local regulatory mechanisms, such as those mediated by IGF2 .