X-chromosome inactivation (XCI) achieves dosage compensation between males and females through the silencing of the majority of genes on one of the female X chromosomes. Thus, the female X chromosomes provide a unique opportunity to study euchromatin and heterochromatin of allelic regions within the same nuclear environment. We examined the interplay of DNA methylation (DNAm) with CpG density, transcriptional activity and chromatin state at genes on the X chromosome using over 1800 female samples analysed with the Illumina Infinium Human Methylation450 BeadChip. DNAm was used to predict an inactivation status for 63 novel transcription start sites (TSSs) across 27 tissues. There was high concordance of inactivation status across tissues, with 62% of TSSs subject to XCI in all 27 tissues examined, whereas 9% escaped from XCI in all tissues, and the remainder showed variable escape from XCI between females in subsets of tissues. Inter-female and twin data supported a model of predominately cis-acting influences on inactivation status. The level of expression from the inactive X relative to the active X correlated with the amount of female promoter DNAm to a threshold of ∼30%, beyond which genes were consistently subject to inactivation. The inactive X showed lower DNAm than the active X at intragenic and intergenic regions for genes subject to XCI, but not at genes that escape from inactivation. Our categorization of genes that escape from X inactivation provides candidates for sex-specific differences in disease.

Breastfeeding provides many health benefits, but its impact on respiratory health remains unclear. This study addresses the complex and dynamic nature of the mother-milk-infant triad by investigating maternal genomic factors regulating human milk oligosaccharides (HMOs), and their associations with respiratory health among human milk-fed infants. Nineteen HMOs are quantified from 980 mothers of the CHILD Cohort Study. Genome-wide association studies identify HMO-associated loci on chromosome 19p13.3 and 19q13.33 (lowest P = 2.4e-118), spanning several fucosyltransferase (FUT) genes. We identify novel associations on chromosome 3q27.3 for 6'-sialyllactose (P = 2.2e-9) in the sialyltransferase (ST6GAL1) gene. These, plus additional associations on chromosomes 7q21.32, 7q31.32 and 13q33.3, are replicated in the independent INSPIRE Cohort. Moreover, gene-environment interaction analyses suggest that fucosylated HMOs may modulate overall risk of recurrent wheeze among preschoolers with variable genetic risk scores (P < 0.01). Thus, we report novel genetic factors associated with HMOs, some of which may protect the respiratory health of children.

Epigenetic age (EA) acceleration is associated with higher risk of chronic disease and mortality in adults. However, little is known about whether and how in utero exposures might shape gestational EA acceleration at birth. We aimed to explore associations between maternal psychosocial risk factors and offspring gestational EA acceleration at birth in a South African birth cohort study - the Drakenstein Child Health Study. Maternal psychosocial risk factors included trauma/stressor exposure; posttraumatic stress disorder (PTSD); depression, psychological distress; and alcohol/tobacco use. Offspring gestational EA acceleration at birth was calculated using an epigenetic clock previously devised for neonates. Bivariate linear regression was used to explore unadjusted associations between maternal risk factors and offspring gestational EA acceleration at birth. A stepwise regression method was then used to determine the best multivariable model for adjusted associations. Data from 272 maternal-offspring dyads were included in the current analysis. In the stepwise regression model, maternal trauma exposure (β = 7.92; p<0.01) or PTSD (β = 7.46; p<0.01) were significantly associated with offspring gestational EA acceleration at birth, controlling for ethnicity, offspring sex, head circumference at birth, maternal HIV status, and prenatal tobacco or alcohol use. In site-stratified models, these associations retained statistical significance and direction of effect. Maternal trauma exposure or PTSD may thus be associated with offspring gestational EA acceleration at birth. Given the novelty of this preliminary finding, and its potential translational relevance, further studies to delineate underlying biological pathways and to explore clinical implications of EA acceleration are warranted.

The development of epigenetic clocks, or the DNA methylation-based inference of age, is an emerging tool for ageing in free ranging populations. In this study, we developed epigenetic clocks for three species of large mammals that are the focus of extensive management throughout their range: white-tailed deer, black bear, and mountain goat. We quantified differential DNA methylation patterns at over 30,000 cytosine-guanine sites (CpGs) from tissue samples (N=141) of all three species. We used a penalized regression model (elastic net) to build highly explanatory (black bear r = 0.95; white-tailed deer r = 0.99; mountain goat r = 0.97) and robust (black bear Median Absolute Error or MAE = 1.33; white-tailed deer MAE = 0.29; mountain goat MAE = 0.61) models of age (clocks). We also characterized individual CpG sites within each species that demonstrated clear differences in methylation levels between age classes and sex, which can be used to develop a suite of accessible diagnostic markers. Our results demonstrate promising tools for the large-scale estimation of age in wild animals, which have the potential to contribute to wildlife monitoring by providing easily obtainable representations of age structure in managed populations.

Background: Epigenetic processes, including DNA methylation (DNAm), are among the mechanisms allowing integration of genetic and environmental factors to shape cellular function. While many studies have investigated either environmental or genetic contributions to DNAm, few have assessed their integrated effects. We examined the relative contributions of prenatal environmental factors and genotype on DNA methylation in neonatal blood at variably methylated regions (VMRs), defined as consecutive CpGs showing the highest variability of DNAm in 4 independent cohorts (PREDO, DCHS, UCI, MoBa, N=2,934). Results: We used Akaike's information criterion to test which factors best explained variability of methylation in the cohort-specific VMRs: several prenatal environmental factors (E) including maternal demographic, psychosocial and metabolism related phenotypes, genotypes in cis (G), or their additive (G+E) or interaction (GxE) effects. G+E and GxE models consistently best explained variability in DNAm of VMRs across the cohorts, with G explaining the remaining sites best. VMRs best explained by G, GxE or G+E, as well as their associated functional genetic variants (predicted using deep learning algorithms), were located in distinct genomic regions, with different enrichments for transcription and enhancer marks. Genetic variants of not only G and G+E models, but also of variants in GxE models were significantly enriched in genome wide association studies (GWAS) for complex disorders. Conclusion: Genetic and environmental factors in combination best explain DNAm at VMRs. The CpGs best explained by G, G+E or GxE are functionally distinct. The enrichment of GxE variants in GWAS for complex disorders supports their importance for disease risk.

Background: DNA methylation profiling of peripheral blood leukocytes has many research applications, and characterizing the changes in DNA methylation of specific white blood cell types between newborn and adult could add insight into the maturation of the immune system. As a consequence of developmental changes, DNA methylation profiles derived from adult white blood cells are poor references for prediction of cord blood cell types from DNA methylation data. We thus examined cell-type specific differences in DNA methylation in leukocyte subsets between cord and adult blood, and assessed the impact of these differences on prediction of cell types in cord blood. Results: Though all cell types showed differences between cord and adult blood, some specific patterns stood out that reflected how the immune system changes after birth. In cord blood, lymphoid cells showed less variability than in adult, potentially demonstrating their naive status. In fact, cord CD4 and CD8 T cells were so similar that genetic effects on DNA methylation were greater than cell type effects in our analysis, and CD8 T cell frequencies remained difficult to predict, even after optimizing the library used for cord blood composition estimation. Myeloid cells showed fewer changes between cord and adult and also less variability, with monocytes showing the fewest sites of DNA methylation change between cord and adult. Finally, including nucleated red blood cells in the reference library was necessary for accurate cell type predictions in cord blood. Conclusion: Changes in DNA methylation with age were highly cell type specific, and those differences paralleled what is known about the maturation of the postnatal immune system.

Abstract Climate change is increasingly disrupting evolved life history strategies and decreasing population viability in wild species 1 . The magnitude and pace at which environments will change mean the persistence of wild populations will depend substantially on their ability to adapt genetically. However, we know very little about the capacity for evolutionary change in response to climate warming. We mapped the effects of climate change, beginning with the decline of cellular function through to the erosion of fitness and adaptive potential in an intensively studied polar bear ( Ursus maritimus ) population in western Hudson Bay, Canada. Using estimates of epigenetic age acceleration, an indicator of declining cellular function associated with exposure to stress 2 , we found that polar bears aged approximately one year faster, on average, for each degree Celsius temperature increase they experienced. Declining cellular function should reduce fitness 3,4 and counter adaptive evolution in rapidly changing environments. Individuals who reproduced early had higher lifetime reproductive success; however, this was before the onset of rapid warming. Fitness benefits associated with early reproduction declined with warming, and today, bears have similar lifetime reproductive success regardless of when they first reproduce. Finally, using a large pedigree 5 , we found no evidence for genetic variation associated with reproductive success in this population—the population is not evolving in response to the changing environment. The physiological costs of climate change accumulate across lifetimes to degrade cellular function and, ultimately, adaptive capacity. These findings warn that adaptive responses to warming could be the exception rather than the rule.

Background: Umbilical cord blood (UCB) is commonly used in epigenome-wide association studies of prenatal exposures. Accounting for cell type composition is critical in such studies as it reduces confounding due to the cell specificity of DNA methylation (DNAm). In the absence of cell sorting information, statistical methods can be applied to deconvolve heterogeneous cell mixtures. Among these methods, reference-based approaches leverage age appropriate cell-specific DNA-methylation profiles to estimate cellular composition. In UCB, four reference datasets comprising DNAm signatures profiled in purified cell populations have been published using the Illumina 450K and 850K EPIC arrays. These datasets are biologically and technically different, and currently there is no consensus on how to best apply them. Here, we systematically evaluate and compare these datasets and provide recommendations for reference-based UCB deconvolution. Results: We first evaluated the four reference datasets to ascertain both the purity of the samples and the potential cell cross-contamination. We filtered samples and combined datasets to obtain a joint UCB reference. We selected deconvolution libraries using two different approaches: automatic selection using the top differentially methylated probes from the function pickCompProbes in minfi and a standardized library selected using the IDOL (Identifying Optimal Libraries) iterative algorithm. We compared the performance of each reference separately and in combination, using the two approaches for reference library selection, and validated the results in an independent cohort (Generation R Study, n=191) with matched FACS measured cell counts. Strict filtering and combination of the references significantly improved the accuracy and efficiency of cell type estimates. Ultimately, the IDOL library outperformed the library from the automatic selection method implemented in pickCompProbes. Conclusion: These results have important implications for epigenetic studies in UCB as implementing this method will optimally reduce confounding due to cellular heterogeneity. This work provides guidelines for future reference-based UCB deconvolution and establishes a framework for combining reference datasets in other tissues.

Tissue differences are one of the largest contributors to variability in the human DNA methylome. Despite the tissue specific nature of DNA methylation, the inaccessibility of human brain samples necessitates the frequent use of surrogate tissues such as blood, in studies of associations between DNA methylation and brain function and health. Results from studies of surrogate tissues in humans are difficult to interpret in this context, as the connection between blood-brain DNA methylation is tenuous and not well documented. Here we aimed to provide a resource to the community to aid interpretation of blood based DNA methylation results in the context of brain tissue. We used paired samples from 16 individuals from three brain regions and whole blood, run on the Illumina 450K Human Methylation Array to quantify the concordance of DNA methylation between tissues. From these data we have made available metrics on: the variability of CpGs in our blood and brain samples, the concordance of CpGs between blood and brain, and estimations of how strongly a CpG is affected by cell composition in both blood and brain through the web application BECon (Blood-Brain Epigenetic Concordance; https://redgar598.shinyapps.io/BECon/). We anticipate that BECon will enable biological interpretation of blood based human DNA methylation results, in the context of brain.

Abstract Background Accumulating evidence suggests prenatal air pollution exposure alters DNA methylation (DNAm), which could go on to affect long-term health. However, it remains unclear whether prenatal DNAm alterations persist through early life. Identifying DNAm changes that persist from birth into childhood would provide greater insight into the molecular mechanisms that most likely contribute to the association of prenatal air pollution exposure with health outcomes such as atopic disease. Objectives This study investigated the persistence of DNAm changes associated with prenatal NO 2 exposure (a surrogate measure of traffic-related air pollution) at age one to begin characterizing which DNAm changes most likely to contribute to atopic disease. Methods We used an atopy-enriched subset of CHILD study participants (N=145) to identify individual and regional cord blood DNAm differences associated with prenatal NO 2 , followed by an investigation of persistence in age one peripheral blood. As we had repeated DNAm measures, we also isolated postnatal-specific DNAm changes and examined their association with NO 2 exposure in the first year of life. MANOVA tests were used to examine the association between DNAm changes associated with NO 2 and child wheeze and atopy. Results We identified 24 regions of altered cord blood DNAm, with several annotated to HOX genes. Two regions annotated to MPDU1 and C5orf63 were significantly associated with age one wheeze. Further, we found the effect of prenatal NO 2 exposure across CpGs within all altered regions remained similar at age one. A single region of postnatal-specific DNAm annotated to HOXB6 was associated with year one NO 2 and age one atopy. Discussion Regional cord blood DNAm changes associated with prenatal NO 2 exposure persist through at least the first year of life, and some of these changes are associated with age one wheeze. The early-postnatal period remains a sensitive window to DNAm perturbations that may also influence child health.