ABSTRACT Background Obesity is a major global health problem, and is associated with increased cardiometabolic morbidity and mortality. Protein glycosylation is a frequent postranslational modification, highly responsive to numerous pathophysiological conditions and ageing. The prospect of biological age reduction, by reverting glycosylation changes through metabolic intervention, opens many possibilities. We have investigated whether weight loss interventions affect inflammation- and ageing-associated IgG glycosylation changes, in a longitudinal cohort of bariatric surgery patients. To support potential findings, BMI-related glycosylation changes were monitored in a longitudinal twins cohort. Methods IgG N-glycans were chromatographically profiled in 37 obese patients, subjected to low-calorie diet, followed by bariatric surgery, across multiple timepoints. Similarly, plasma-derived IgG N-glycan traits were longitudinally monitored in 1,680 participants from the TwinsUK cohort. Results Low-calorie diet induced a marked decrease in the levels of IgG N-glycans with bisecting GlcNAc, whose higher levels are usually associated with ageing and inflammatory conditions. Bariatric surgery resulted in extensive alterations of the IgG glycome that accompanied progressive weight loss during one-year follow-up. We observed a significant increase in digalactosylated and sialylated glycans, and a substantial decrease in agalactosylated and core fucosylated IgG glycans. In general, this IgG glycan profile is associated with a younger biological age and reflects an enhanced anti-inflammatory IgG potential. Loss of BMI over a 20 year period in the TwinsUK cohort validated a weight loss-associated agalactosylation decrease and an increase in digalactosylation. Conclusions Altogether, these findings highlight that weight loss substantially affects IgG N-glycosylation, resulting in reduced biological and immune age. GRAPHICAL ABSTRACT HIGHLIGHTS Obesity is associated to inflammation-related agalactosylated and bisected IgG glycoforms IgG galactosylation and sialylation increase after bariatric surgery-induced weight loss Progressive decrease of BMI is associated to increased IgG galactosylation, implying a reduction of biological age

Abstract Variable preferences for different foods are among the main determinants of their intake and are influenced by many factors, including genetics. Despite considerable twins’ heritability, studies aimed at uncovering food-liking genetics have focused mostly on taste receptors. Here, we present the first results of a large-scale genome-wide association study of food liking conducted on 161,625 participants from UK Biobank. Liking was assessed over 139 specific foods using a 9-point hedonic scale. After performing GWAS, we used genetic correlations coupled with structural equation modelling to create a multi-level hierarchical map of food liking. We identified three main dimensions: high caloric foods defined as “Highly palatable”, strong-tasting foods ranging from alcohol to pungent vegetables, defined as “Learned” and finally “Low caloric” foods such as fruit and vegetables. The “Highly palatable” dimension was genetically uncorrelated from the other two, suggesting that two independent processes underlie liking high reward foods and the Learned/Low caloric ones. Genetic correlation analysis with the corresponding food consumption traits revealed a high correlation, while liking showed twice the heritability compared to consumption. For example, fresh fruit liking and consumption showed a genetic correlation of 0.7 with heritabilities of 0.1 and 0.05, respectively. GWAS analysis identified 1401 significant food-liking associations located in 173 genomic loci, with only 11 near taste or olfactory receptors. Genetic correlation with morphological and functional brain data (33,224 UKB participants) uncovers associations of the three food-liking dimensions with non-overlapping, distinct brain areas and networks, suggestive of separate neural mechanisms underlying the liking dimensions. In conclusion, we created a comprehensive and data-driven map of the genetic determinants and associated neurophysiological factors of food liking beyond taste receptor genes.

Genome-wide association analyses using high-throughput metabolomics platforms have led to novel insights into the biology of human metabolism1-7. This detailed knowledge of the genetic determinants of systemic metabolism has been pivotal for uncovering how genetic pathways influence biological mechanisms and complex diseases8-11. Here we present a genome-wide association study for 233 circulating metabolic traits quantified by nuclear magnetic resonance spectroscopy in up to 136,016 participants from 33 cohorts. We identify more than 400 independent loci and assign probable causal genes at two-thirds of these using manual curation of plausible biological candidates. We highlight the importance of sample and participant characteristics that can have significant effects on genetic associations. We use detailed metabolic profiling of lipoprotein- and lipid-associated variants to better characterize how known lipid loci and novel loci affect lipoprotein metabolism at a granular level. We demonstrate the translational utility of comprehensively phenotyped molecular data, characterizing the metabolic associations of intrahepatic cholestasis of pregnancy. Finally, we observe substantial genetic pleiotropy for multiple metabolic pathways and illustrate the importance of careful instrument selection in Mendelian randomization analysis, revealing a putative causal relationship between acetone and hypertension. Our publicly available results provide a foundational resource for the community to examine the role of metabolism across diverse diseases.

Abstract Pubertal timing varies considerably and is associated with later health outcomes. We performed multi-ancestry genetic analyses on ~800,000 women, identifying 1,080 signals for age at menarche. Collectively, these explained 11% of trait variance in an independent sample. Women at the top and bottom 1% of polygenic risk exhibited ~11 and ~14-fold higher risks of delayed and precocious puberty, respectively. We identified several genes harboring rare loss-of-function variants in ~200,000 women, including variants in ZNF483 , which abolished the impact of polygenic risk. Variant-to-gene mapping approaches and mouse gonadotropin-releasing hormone neuron RNA sequencing implicated 665 genes, including an uncharacterized G-protein-coupled receptor, GPR83 , which amplified the signaling of MC3R , a key nutritional sensor. Shared signals with menopause timing at genes involved in DNA damage response suggest that the ovarian reserve might signal centrally to trigger puberty. We also highlight body size-dependent and independent mechanisms that potentially link reproductive timing to later life disease.

Abstract Endothelial cell (EC) senescence plays a crucial role in the development of cardiovascular diseases in aging population. Gut microbiota alterations are emerging as significant factors present in cellular senescence associated with aging. However, little is known about how aging-related changes in gut microbiota are causally implicated in EC senescence. Here we show that gut microbiota-dependent phenylacetic acid (PAA) and its derivative, phenylacetylglutamine (PAGln), are elevated in a human aging cohort (TwinsUK, n=7,303) and in aged mice. Metagenomic analyses revealed a marked increase in the abundance of PAA-producing microbial pathways (PPFOR and VOR), which were positively associated with the abundance of Clostridium sp. ASF356, higher circulating PAA concentrations, and endothelial dysfunction in old mice. We found that PAA potently induces EC senescence and attenuates angiogenesis. Mechanistically, PAA increases mitochondrial H 2 O 2 generation, which aggravates IL6-mediated HDAC4 translocation and thereby upregulates VCAM1. In contrast, exogenous acetate, which was reduced in old mice, rescues the PAA-induced EC senescence and restores angiogenic capacity through markedly alleviating the SASP and epigenetic alteration. Our studies provide direct evidence of PAA-mediated crosstalk between aging gut microbiota and EC senescence and suggest a microbiota-based therapy for promoting healthy aging. Highlights Aging-related gut microbiota alterations contribute to a marked elevation of plasma PAA and PAGln in humans and mice Clostridium sp. ASF356 contributes to PPFOR-mediated PAA formation in aged mice Gut-derived PAA promotes endothelial senescence and impairs angiogenesis PAA induces mitochondrial H 2 O 2 generation, by which drives epigenetic alterations and SASP in ECs Acetate rescues PAA-induced EC senescence and mitochondrial dysfunction Acetate improves angiogenesis by reducing HDAC4 phosphorylation and SASP

Metabolomics can uncover physiological responses to prebiotic fibre and omega-3 fatty acid supplements with known health benefits and identify response-specific metabolites. We profiled 534 stool and 799 serum metabolites in 64 healthy adults following a 6-week randomised trial comparing daily omega-3 versus inulin supplementation. Elastic net regressions were used to separately identify the serum and stool metabolites whose change in concentration discriminated between the two types of supplementations. Random forest was used to explore the gut microbiome’s contribution to the levels of the identified metabolites from matching stool samples. Changes in serum 3-carboxy-4-methyl-5-propyl-2-furanpropanoate and indoleproprionate levels accurately discriminated between fibre and omega-3 (area under the curve (AUC) = 0.87 [95% confidence interval (CI): 0.63–0.99]), while stool eicosapentaenoate indicated omega-3 supplementation (AUC = 0.86 [95% CI: 0.64–0.98]). Univariate analysis also showed significant increases in indoleproprionate with fibre, 3-carboxy-4-methyl-5-propyl-2-furanpropanoate, and eicosapentaenoate with omega-3. Out of these, only the change in indoleproprionate was partly explained by changes in the gut microbiome composition (AUC = 0.61 [95% CI: 0.58–0.64] and Rho = 0.21 [95% CI: 0.08–0.34]) and positively correlated with the increase in the abundance of the genus Coprococcus (p = 0.005). Changes in three metabolites discriminated between fibre and omega-3 supplementation. The increase in indoleproprionate with fibre was partly explained by shifts in the gut microbiome, particularly Coprococcus, previously linked to better health.

Abstract Background Postprandial metabolomic profiles and their inter-individual variability are not well characterised. Here we describe postprandial metabolite changes, their correlations with fasting values and their inter- and intra-individual variability following a standardised meal in the ZOE PREDICT 1 cohort. Methods In the ZOE PREDICT 1 study ( n = 1,002 ( NCT03479866 )), 250 metabolites, mainly lipids, were measured by Nightingale NMR panel in fasting and postprandial (4 and 6 h after a 3.7 MJ mixed nutrient meal, with a second 2.2 MJ mixed nutrient meal at 4 h) serum samples. For each metabolite, inter- and intra-individual variability over-time was evaluated using linear mixed modelling and intraclass-correlation coefficients (ICC) calculated. Results Postprandially, 85% (of 250 metabolites) significantly changed from fasting at 6h (47% increased, 53% decreased; Kruskal-Wallis), with 37 measures increasing by >25%, and 14 increasing by >50%. The largest changes were observed in very large lipoprotein particles and ketone bodies. Seventy-one percent of circulating metabolites were strongly correlated (Spearman’s rho >0.80) between fasting and postprandial timepoints, and 5% were weakly correlated (rho <0.50). The median ICC of the 250 metabolites was 0.91 (range 0.08-0.99). The lowest ICCs (ICC<0.40, 4% of measures) were found for glucose, pyruvate, ketone bodies (β-hydroxybutyrate, acetoacetate, acetate) and lactate. Conclusions In this large-scale postprandial metabolomic study, circulating metabolites were highly variable between individuals following a mixed challenge meal. Findings suggest that a meal challenge may yield postprandial responses divergent from fasting measures, specifically for glycolysis, essential amino acid, ketone body and lipoprotein size metabolites.

Elevated blood pressure is a major risk factor for cardiovascular disease and has a substantial genetic contribution. Genetic variation influencing blood pressure has the potential to identify new pharmacological targets for the treatment of hypertension. To discover additional novel blood pressure loci, we used 1000 Genomes Project-based imputation in 150,134 European ancestry individuals and sought significant evidence for independent replication in a further 228,245 individuals. We report 6 new signals of association in or near HSPB7, TNXB, LRP12, LOC283335, SEPT9 and AKT2, and provide new replication evidence for a further 2 signals in EBF2 and NFKBIA. Combining large whole-blood gene expression resources totaling 12,607 individuals, we investigated all novel and previously reported signals and identified 48 genes with evidence for involvement in BP regulation that are significant in multiple resources. Three novel kidney-specific signals were also detected. These robustly implicated genes may provide new leads for therapeutic innovation.

Saliva, as a biofluid, is inexpensive and non-invasive to obtain, and provides a vital tool to investigate oral health and its interaction with systemic health conditions. There is growing interest in salivary biomarkers for systemic diseases, notably cardiovascular disease. Whereas hundreds of genetic loci have been shown to be involved in the regulation of blood metabolites leading to unprecedented insights into the pathogenesis of complex human diseases, little is known about the impact of host genetics on salivary metabolites. Here we report the first genome-wide association study exploring 476 salivary metabolites in 1,419 subjects of European ancestry from the TwinsUK cohort (discovery phase). A total of 14 salivary metabolites were significantly associated (p<10−10) with genetic variants that mapped to 11 distinct loci, most of which replicated in the Study of Health in Pomerania (SHIP-2) cohort. Interestingly, while only a limited number of the loci that are known to regulate blood metabolites were also associated with salivary metabolites in our study, we identified several novel saliva-specific locus-metabolite associations, including associations for the AGMAT (with the metabolites 4-guanidinobutanoate and beta-guanidinopropanoate), ATP13A5 (with the metabolite creatinine) and DPYS (with the metabolites 3-ureidopropionate and 3-ureidoisobutyrate) loci. Our study suggests that there are biological pathways which are specific to the regulation of the salivary metabolome. In addition, some of our findings may have clinical relevance, such as the utility of the pyrimidine (uracil) degradation metabolites in predicting 5-fluorouracil toxicity and the role of the agmatine pathway metabolites as biomarkers of oral health.

The timing of puberty is a highly polygenic childhood trait that is epidemiologically associated with various adult diseases. Here, we analyse 1000-Genome reference panel imputed genotype data on up to ~370,000 women and identify 389 independent signals (all P<5x10-8) for age at menarche, a notable milestone in female pubertal development. In Icelandic data from deCODE, these signals explain ~7.4% of the population variance in age at menarche, corresponding to one quarter of the estimated heritability. We implicate over 250 genes via coding variation or associated gene expression, and demonstrate enrichment across genes active in neural tissues. We identify multiple rare variants near the imprinted genes MKRN3 and DLK1 that exhibit large effects on menarche only when paternally inherited. Disproportionate effects of variants on early or late puberty timing are observed: single variant and heritability estimates are larger for early than late puberty timing in females. The opposite pattern is seen in males, with larger estimates for late than early puberty timing. Mendelian randomization analyses indicate causal inverse associations, independent of BMI, between puberty timing and risks for breast and endometrial cancers in women, and prostate cancer in men. In aggregate, our findings reveal new complexity in the genetic regulation of puberty timing and support new causal links with adult cancer risks.