The three-dimensional configuration of DNA is integral to all nuclear processes in eukaryotes, yet our knowledge of the chromosome architecture is still limited. Genome-wide chromosome conformation capture studies have uncovered features of chromatin organization in cultured cells, but genome architecture in human tissues has yet to be explored. Here, we report the most comprehensive survey to date of chromatin organization in human tissues. Through integrative analysis of chromatin contact maps in 21 primary human tissues and cell types, we find topologically associating domains highly conserved in different tissues. We also discover genomic regions that exhibit unusually high levels of local chromatin interactions. These frequently interacting regions (FIREs) are enriched for super-enhancers and are near tissue-specifically expressed genes. They display strong tissue-specificity in local chromatin interactions. Additionally, FIRE formation is partially dependent on CTCF and the Cohesin complex. We further show that FIREs can help annotate the function of non-coding sequence variants.

The human dopamine D4 receptor contains a novel polymorphism within the putative third cytoplasmic loop of the protein. The polymorphism is characterized by a varying number of direct imperfect 48-bp repeats in the gene. Pharmacological characterization has suggested that this receptor is the site through which the atypical neuroleptic clozapine exerts its antipsychotic action and that some polymorphic variants display different pharmacological properties. Further analysis of the repeat region using innovative technologies indicates that the alleles vary not only in the number of repeats (2-8 or 10 repeat units) but also in the sequence of the repeats and the order in which they appear. In 178 unrelated chromosomes we have identified 19 different repeats in 25 different haplotypes coding for 18 different predicted amino acid sequences, making this one of the most variable functional proteins currently described.

Differential methylation of the two parental genomes in placental mammals is essential for genomic imprinting and embryogenesis. To systematically study this epigenetic process, we have generated a base-resolution, allele-specific DNA methylation (ASM) map in the mouse genome. We find parent-of-origin dependent (imprinted) ASM at 1,952 CG dinucleotides. These imprinted CGs form 55 discrete clusters including virtually all known germline differentially methylated regions (DMRs) and 23 previously unknown DMRs, with some occurring at microRNA genes. We also identify sequence-dependent ASM at 131,765 CGs. Interestingly, methylation at these sites exhibits a strong dependence on the immediate adjacent bases, allowing us to define a conserved sequence preference for the mammalian DNA methylation machinery. Finally, we report a surprising presence of non-CG methylation in the adult mouse brain, with some showing evidence of imprinting. Our results provide a resource for understanding the mechanisms of imprinting and allele-specific gene expression in mammalian cells.

Family, twin, and adoption studies have documented a strong genetic basis for ADHD/HKD, but these studies do not identify specific genes linked to the disorder. Molecular genetic studies can identify allelic variations of specific genes that are functionally associated with ADHD/HKD, and dopamine genes have been the initial candidates based on the site of action of the stimulants drugs, which for a half century have provided the primary pharmacological treatment for ADHD/HKD. Two candidate dopamine genes have been investigated and reported to be associated with ADHD/HKD: the dopamine transporter (DAT1) gene [Cook et al., American Journal of Human Genetics 1995;56:993–998, Gill et al., Molecular Psychiatry 1997;2:311–313] and the dopamine receptor D4 (DRD4) gene [LaHoste et al., Molecular Psychiatry 1996;1:121–124; Smalley et al., 1998;3:427–430; Swanson et al., Molecular Psychiatry 1998;3:38–41]. Speculative hypotheses [Swanson and Castellanos, NIH Consensus Development Conference: Diagnosis and Treatment of Attention Deficit Hyperactivity Disorder, November 1998. p. 37–42] have suggested that specific alleles of these dopamine genes may alter dopamine transmission in the neural networks implicated in ADHD/HKD (e.g. that the 10-repeat allele of the DAT1 gene may be associated with hyperactive re-uptake of dopamine or that the 7-repeat allele of the DRD4 gene may be associated with a subsensitive postsynaptic receptor). These and other variants of the dopamine hypothesis of ADHD will be discussed.

The direct estimation of heritability from genome-wide common variant data as implemented in the program Genome-wide Complex Trait Analysis (GCTA) has provided a means to quantify heritability attributable to all interrogated variants. We have quantified the variance in liability to disease explained by all SNPs for two phenotypically-related neurobehavioral disorders, obsessive-compulsive disorder (OCD) and Tourette Syndrome (TS), using GCTA. Our analysis yielded a heritability point estimate of 0.58 (se = 0.09, p = 5.64e-12) for TS, and 0.37 (se = 0.07, p = 1.5e-07) for OCD. In addition, we conducted multiple genomic partitioning analyses to identify genomic elements that concentrate this heritability. We examined genomic architectures of TS and OCD by chromosome, MAF bin, and functional annotations. In addition, we assessed heritability for early onset and adult onset OCD. Among other notable results, we found that SNPs with a minor allele frequency of less than 5% accounted for 21% of the TS heritability and 0% of the OCD heritability. Additionally, we identified a significant contribution to TS and OCD heritability by variants significantly associated with gene expression in two regions of the brain (parietal cortex and cerebellum) for which we had available expression quantitative trait loci (eQTLs). Finally we analyzed the genetic correlation between TS and OCD, revealing a genetic correlation of 0.41 (se = 0.15, p = 0.002). These results are very close to previous heritability estimates for TS and OCD based on twin and family studies, suggesting that very little, if any, heritability is truly missing (i.e., unassayed) from TS and OCD GWAS studies of common variation. The results also indicate that there is some genetic overlap between these two phenotypically-related neuropsychiatric disorders, but suggest that the two disorders have distinct genetic architectures.

Abstract The use of spoken and written language is a capacity that is unique to humans. Individual differences in reading- and language-related skills are influenced by genetic variation, with twin-based heritability estimates of 30-80%, depending on the trait. The relevant genetic architecture is complex, heterogeneous, and multifactorial, and yet to be investigated with well-powered studies. Here, we present a multicohort genome-wide association study (GWAS) of five traits assessed individually using psychometric measures: word reading, nonword reading, spelling, phoneme awareness, and nonword repetition, with total sample sizes ranging from 13,633 to 33,959 participants aged 5-26 years (12,411 to 27,180 for those with European ancestry, defined by principal component analyses). We identified a genome-wide significant association with word reading (rs11208009, p=1.098 × 10 −8 ) independent of known loci associated with intelligence or educational attainment. All five reading-/language-related traits had robust SNP-heritability estimates (0.13–0.26), and genetic correlations between them were modest to high. Using genomic structural equation modelling, we found evidence for a shared genetic factor explaining the majority of variation in word and nonword reading, spelling, and phoneme awareness, which only partially overlapped with genetic variation contributing to nonword repetition, intelligence and educational attainment. A multivariate GWAS was performed to jointly analyse word and nonword reading, spelling, and phoneme awareness, maximizing power for follow-up investigation. Genetic correlation analysis of multivariate GWAS results with neuroimaging traits identified association with cortical surface area of the banks of the left superior temporal sulcus, a brain region with known links to processing of spoken and written language. Analysis of evolutionary annotations on the lineage that led to modern humans showed enriched heritability in regions depleted of Neanderthal variants. Together, these results provide new avenues for deciphering the biological underpinnings of these uniquely human traits.

ABSTRACT Dyslexia is a common specific learning disability with a strong genetic basis that affects word reading and spelling. An increasing list of loci and genes have been implicated, but analyses to-date investigated only limited genomic variation within each locus with no confirmed pathogenic variants. In a collection of >2000 participants in families enrolled at three independent sites, we performed targeted capture and comprehensive sequencing of all exons and some regulatory elements of five candidate dyslexia risk genes ( DNAAF4 , CYP19A1 , DCDC2 , KIAA0319 and GRIN2B ) for which prior evidence of association exists from more than one sample. For each of six dyslexia-related phenotypes we used both individual-single nucleotide polymorphism (SNP) and aggregate testing of multiple SNPs to evaluate evidence for association. We detected no promoter alterations and few potentially deleterious variants in the coding exons, none of which showed evidence of association with any phenotype. All genes except DNAAF4 provided evidence of association, corrected for the number of genes, for multiple non-coding variants with one or more phenotypes. Results for a variant in the downstream region of CYP19A1 and a haplotype in DCDC2 yielded particularly strong statistical significance for association. This haplotype and another in DCDC2 affected performance of real word reading in opposite directions. In KIAA0319 , two missense variants annotated as tolerated/benign associated with poor performance on spelling. Ten non-coding SNPs likely affect transcription factor binding. Findings were similar regardless of whether phenotypes were adjusted for verbal IQ. Our findings from this large-scale sequencing study complement those from genome-wide association studies (GWAS), argue strongly against the causative involvement of large-effect coding variants in these five candidate genes, support an oligogenic etiology, and suggest a role of transcriptional regulation. Author Summary Family studies show that genes play a role in dyslexia and a small number of genomic regions have been implicated to date. However, it has proven difficult to identify the specific genetic variants in those regions that affect reading ability by using indirect measures of association with evenly spaced polymorphisms chosen without regard to likely function. Here, we use recent advances in DNA sequencing to examine more comprehensively the role of genetic variants in five previously nominated candidate dyslexia risk genes on several dyslexia-related traits. Our analysis of more than 2000 participants in families with dyslexia provides strong evidence for a contribution to dyslexia risk for the non-protein coding genetic variant rs9930506 in the CYP19A1 gene on chromosome 15 and excludes the DNAAF4 gene on the same chromosome. We identified other putative causal variants in genes DCDC2 and KIAA0319 on chromosome 6 and GRIN2B on chromosome 12. Further studies of these DNA variants, all of which were non-coding, may point to new biological pathways that affect susceptibility to dyslexia. These findings are important because they implicate regulatory variation in this complex trait that affects ability of individuals to effectively participate in our increasingly informatic world.

Tourette syndrome (TS) is highly heritable, although identification of its underlying genetic cause(s) has remained elusive. We examined a European ancestry sample composed of 2,435 TS cases and 4,100 controls for copy-number variants (CNVs) using SNP microarrays and identified two genome-wide significant loci that confer a substantial increase in risk for TS (NRXN1, OR=20.3, 95%CI [2.6-156.2], p=6.0 × 10-6; CNTN6, OR=10.1, 95% CI [2.3-45.4], p=3.7 × 10-5). Approximately 1% of TS cases carried one of these CNVs, indicating that rare structural variation contributes significantly to the genetic architecture of TS.