Abstract Population isolates such as those in Finland benefit genetic research because deleterious alleles are often concentrated on a small number of low-frequency variants (0.1% ≤ minor allele frequency < 5%). These variants survived the founding bottleneck rather than being distributed over a large number of ultrarare variants. Although this effect is well established in Mendelian genetics, its value in common disease genetics is less explored 1,2 . FinnGen aims to study the genome and national health register data of 500,000 Finnish individuals. Given the relatively high median age of participants (63 years) and the substantial fraction of hospital-based recruitment, FinnGen is enriched for disease end points. Here we analyse data from 224,737 participants from FinnGen and study 15 diseases that have previously been investigated in large genome-wide association studies (GWASs). We also include meta-analyses of biobank data from Estonia and the United Kingdom. We identified 30 new associations, primarily low-frequency variants, enriched in the Finnish population. A GWAS of 1,932 diseases also identified 2,733 genome-wide significant associations (893 phenome-wide significant (PWS), P < 2.6 × 10 –11 ) at 2,496 (771 PWS) independent loci with 807 (247 PWS) end points. Among these, fine-mapping implicated 148 (73 PWS) coding variants associated with 83 (42 PWS) end points. Moreover, 91 (47 PWS) had an allele frequency of <5% in non-Finnish European individuals, of which 62 (32 PWS) were enriched by more than twofold in Finland. These findings demonstrate the power of bottlenecked populations to find entry points into the biology of common diseases through low-frequency, high impact variants.

To identify risk variants for lung cancer, we conducted a multistage genome-wide association study. In the discovery phase, we analyzed 315,450 tagging SNPs in 1,154 current and former (ever) smoking cases of European ancestry and 1,137 frequency-matched, ever-smoking controls from Houston, Texas. For replication, we evaluated the ten SNPs most significantly associated with lung cancer in an additional 711 cases and 632 controls from Texas and 2,013 cases and 3,062 controls from the UK. Two SNPs, rs1051730 and rs8034191, mapping to a region of strong linkage disequilibrium within 15q25.1 containing PSMA4 and the nicotinic acetylcholine receptor subunit genes CHRNA3 and CHRNA5, were significantly associated with risk in both replication sets. Combined analysis yielded odds ratios of 1.32 (P < 1 × 10−17) for both SNPs. Haplotype analysis was consistent with there being a single risk variant in this region. We conclude that variation in a region of 15q25.1 containing nicotinic acetylcholine receptors genes contributes to lung cancer risk.

Richard Houlston, Maria Teresa Landi and colleagues report the identification of large-effect associations for squamous lung cancer with rare variants in BRCA2 and CHEK2. We conducted imputation to the 1000 Genomes Project of four genome-wide association studies of lung cancer in populations of European ancestry (11,348 cases and 15,861 controls) and genotyped an additional 10,246 cases and 38,295 controls for follow-up. We identified large-effect genome-wide associations for squamous lung cancer with the rare variants BRCA2 p.Lys3326X (rs11571833, odds ratio (OR) = 2.47, P = 4.74 × 10−20) and CHEK2 p.Ile157Thr (rs17879961, OR = 0.38, P = 1.27 × 10−13). We also showed an association between common variation at 3q28 (TP63, rs13314271, OR = 1.13, P = 7.22 × 10−10) and lung adenocarcinoma that had been previously reported only in Asians. These findings provide further evidence for inherited genetic susceptibility to lung cancer and its biological basis. Additionally, our analysis demonstrates that imputation can identify rare disease-causing variants with substantive effects on cancer risk from preexisting genome-wide association study data.

Abstract Genome-wide association studies have uncovered thousands of common variants associated with human disease, but the contribution of rare variants to common disease remains relatively unexplored. The UK Biobank contains detailed phenotypic data linked to medical records for approximately 500,000 participants, offering an unprecedented opportunity to evaluate the effect of rare variation on a broad collection of traits 1,2 . Here we study the relationships between rare protein-coding variants and 17,361 binary and 1,419 quantitative phenotypes using exome sequencing data from 269,171 UK Biobank participants of European ancestry. Gene-based collapsing analyses revealed 1,703 statistically significant gene–phenotype associations for binary traits, with a median odds ratio of 12.4. Furthermore, 83% of these associations were undetectable via single-variant association tests, emphasizing the power of gene-based collapsing analysis in the setting of high allelic heterogeneity. Gene–phenotype associations were also significantly enriched for loss-of-function-mediated traits and approved drug targets. Finally, we performed ancestry-specific and pan-ancestry collapsing analyses using exome sequencing data from 11,933 UK Biobank participants of African, East Asian or South Asian ancestry. Our results highlight a significant contribution of rare variants to common disease. Summary statistics are publicly available through an interactive portal ( http://azphewas.com/ ).

Abstract Around half of high grade serous ovarian carcinomas (HGSOC) show homologous recombination repair deficiency (HRD), often caused by germline or somatic single nucleotide variant (SNV) mutations or small indels disrupting BRCA1/2 . We have uniformly processed the largest collection of whole genome sequencing (WGS) data from HGSOC samples to date (N=205), comprehensively characterising the somatic mutational landscape, and expression at the BRCA1/2 loci. We discover that large structural variants (SV) are a frequent but unappreciated source of BRCA1/2 disruption in these tumours. Somatic structural variation at these loci is dominated by multi-megabase deletions that span the entirety of BRCA1 (median = 4.9Mb) or BRCA2 (median = 6.2Mb), independently affecting a substantial proportion of patients (16%) in addition to those affected by damaging germline or somatic short variants, within the BRCA1/2 coding sequences (24%). In common with previous studies, we show that the presence of damaging somatic SNVs or short indels in BRCA1 (OR=10, 95% CI 1.8-103, p=0.002, adj p=0.027 and BRCA2 (OR=17, 95% CI 2.1-816), p=0.002, adj.p=0.021) was found to influence HRD. For the first time we also study the compound effect of SV and SNV or short indel mutations at both loci, demonstrating that SVs often contribute to compound deficiencies involving SNVs or indels, with large somatic deletions contributing to these compound deficiencies in 15/205 (7%) of samples. Notably the strongest risk of HRD (OR=19 (2.4-896), p=6.6×10 -3 , adj P=8.5×10 -3 ) is generated by combined large deletions at BRCA1 and BRCA2 in the absence of SNVs or indels, affecting 3% of patients. Overall, we show that HRD is a complex phenotype in HGSOC tumours, affected by the patterns of shorter variants such as SNVs and indels, SVs, methylation and expression seen at multiple loci, and we construct a successful (ROC AUC = 0.75) predictive model of HRD using such variables. In addition, HRD impacts patient survival when conferred by mechanisms other than through the well-understood short variants at BRCA1/2 , currently exploited in the clinic. These results alter our understanding of the mutational landscape at the BRCA1/2 loci in highly rearranged tumours, and increase the number of patients predicted to benefit from therapies exploiting HRD in tumours such as PARP inhibition.

Abstract Deciphering the structural variation across tumour genomes is crucial to determine the events driving tumour progression and better understand tumour adaptation and evolution. High grade serous ovarian cancer (HGSOC) is an exemplar tumour type showing extreme, but poorly characterised structural diversity. We comprehensively describe the mutational landscape driving HGSOC, exploiting a large (N=324), deeply whole genome sequenced dataset. We reveal two divergent evolutionary trajectories, affecting patient survival and involving differing genomic environments. One involves homologous recombination repair deficiency (HRD) while the other is dominated by whole genome duplication (WGD) with frequent chromothripsis, breakage-fusion-bridges and extra-chromosomal DNA. These trajectories contribute to structural variation hotspots, containing novel candidate driver genes with significantly altered expression. While structural variation predominantly drives tumorigenesis, we also find high mtDNA mutation loads associated with shorter patient survival, and acting in combination with alterations in the nuclear genome to impact prognosis and suggesting new strategies for patient stratification.

ABSTRACT The hepcidin/ferroportin axis controls systemic iron homeostasis by regulating iron acquisition from the duodenum and the reticuloendothelial system, respective sites of iron absorption and recycling. Ferroportin is also abundant in the kidney, where it has been implicated in iron reabsorption. However, it remains unknown whether hepcidin regulates ferroportin-mediated iron reabsorption and whether such regulation is important for systemic iron homeostasis. To address these questions, we generated a novel mouse model with an inducible renal-tubule specific knock-in of fpnC326Y , which encodes a hepcidin-resistant FPNC326Y. Under iron-replete conditions, female mice harbouring this allele had lower renal iron content and higher serum and liver iron levels than controls. Under conditions of excess iron availability, male and female mice harbouring this allele had greater liver iron overload, but lower renal iron overload relative to controls. In addition, hemochromatosis mice harbouring a ubiquitous knock-in of fpnC326Y did not develop renal iron overload otherwise seen in the setting of excess iron availability. These findings are the first formal demonstration that hepcidin regulates ferroportin-mediated iron reabsorption. They also show that loss of this regulation contributes to liver iron overload while protecting the kidney in the setting of hemochromatosis. Our findings have important implications. First, they indicate that targeting the hepcidin/ferroportin axis for treating iron overload disorders will inhibit iron reabsorption and increase renal iron content. Second, they suggest that inhibition of iron reabsorption by raised hepcidin in chronic inflammatory conditions contributes to iron deficiency and that parenteral iron supplementation in this setting may cause renal iron overload.

Cell-free tumour-derived DNA (ctDNA) allows non-invasive monitoring of cancers but its utility in renal cell cancer (RCC) has not been established. Here, untargeted and targeted sequencing methods, applied to two independent cohorts of renal tumour patients (n=90), were used to determine ctDNA content in plasma and urine. Our data revealed lower plasma ctDNA levels in RCC relative to other cancers, with untargeted detection of ~33%. A sensitive personalised approach, applied to plasma and urine from select patients improved detection to ~50%, including in patients with early-stage and even benign lesions. A machine-learning based model predicted detection, potentially offering a means of triaging samples for personalised analysis. In addition, with limited data we observed that plasma, and for the first time, urine ctDNA may better represent tumour heterogeneity than tissue biopsy. Furthermore, longitudinal sampling of >200 plasma samples revealed that ctDNA can track disease course. Additional datasets will be required to validate these findings. Overall, our data highlight RCC as a ctDNA-low malignancy, but indicate potential clinical utility provided improvement in detection approaches.