Abstract DNA methylation (DNAm) is known to play a pivotal role in childhood health and development, but a comprehensive characterization of genome-wide DNAm trajectories across this age period is currently lacking. We have therefore performed a series of epigenome-wide association studies in 5,019 blood samples collected at multiple time-points from birth to late adolescence from 2,348 participants of two large independent cohorts. DNAm profiles of autosomal CpG sites (CpGs) were generated using the Illumina Infinium HumanMethylation450 BeadChip. Change over time was widespread, observed at over one-half (53%) of CpGs. In most cases DNAm was decreasing (36% of CpGs). Inter-individual variation in linear trajectories was similarly widespread (27% of CpGs). Evidence for nonlinear change and inter-individual variation in nonlinear trajectories was somewhat less common (11% and 8% of CpGs, respectively). Very little inter-individual variation in change was explained by sex differences (0.4% of CpGs) even though sex-specific DNAm was observed at 5% of CpGs. DNAm trajectories were distributed non-randomly across the genome. For example, CpGs with decreasing DNAm were enriched in gene bodies and enhancers and were annotated to genes enriched in immune-developmental functions. By contrast, CpGs with increasing DNAm were enriched in promoter regions and annotated to genes enriched in neurodevelopmental functions. These findings depict a methylome undergoing widespread and often nonlinear change throughout childhood. They support a developmental role for DNA methylation that extends beyond birth into late adolescence and has implications for understanding life-long health and disease. DNAm trajectories can be visualized at http://epidelta.mrcieu.ac.uk .

ABSTRACT Cognitive skills are a strong predictor of a wide range of later life outcomes. Genetic and epigenetic associations across the genome explain some of the variation in general cognitive abilities in the general population and it is plausible that epigenetic associations might arise from prenatal environmental exposures and/or genetic variation early in life. We investigated the association between cord blood DNA methylation at birth and cognitive skills assessed in children from eight pregnancy cohorts (N=2196-3798) within the Pregnancy And Childhood Epigenetics (PACE) Consortium across overall, verbal and non-verbal cognitive scores. The associations at single CpG sites were weak for all of the cognitive domains investigated. One region near DUSP22 on chromosome 6 was associated with non-verbal cognition in a model adjusted for maternal IQ. We conclude that there is little evidence to support the idea that cord blood DNA methylation at single CpGs can predict cognitive skills and further studies are needed to confirm regional differences.

Abstract DNA methylation profiles of aggressive behavior may capture lifetime cumulative effects of genetic, stochastic, and environmental influences associated with aggression. Here, we report the first large meta-analysis of epigenome-wide association studies (EWAS) of aggressive behavior (N=15,324 participants). In peripheral blood samples of 14,434 participants from 18 cohorts with mean ages ranging from 7 to 68 years, 13 methylation sites were significantly associated with aggression (alpha=1.2×10 −7 ; Bonferroni correction). In cord blood samples of 2,425 children from five cohorts with aggression assessed at mean ages ranging from 4 to 7 years, 83% of these sites showed the same direction of association with childhood aggression ( r =0.74, p=0.006) but no epigenome-wide significant sites were found. Top-sites (48 at a false discovery rate of 5% in the peripherl blood meta-analysis or in a combined meta-analysis of peripheral blood and cord blood) have been associated with chemical exposures, smoking, cognition, metabolic traits, and genetic variation (mQTLs). Three genes whose expression levels were associated with top-sites were previously linked to schizophrenia and general risk tolerance. At six CpGs, DNA methylation variation in blood mirrors variation in the brain. On average 44% (range=3-82%) of the aggression–methylation association was explained by current and former smoking and BMI. These findings point at loci that are sensitive to chemical exposures with potential implications for neuronal functions. We hope these results to be a starting point for studies leading to applications as peripheral biomarkers and to reveal causal relationships with aggression and related traits.

Abstract DNA methylation (DNAm) at specific sites can be used to calculate ‘epigenetic clocks’, which in adulthood are used as indicators of age( ing ). However, little is known about how these clock sites ‘behave’ during development and what factors influence their variability in early life. This knowledge could be used to optimize healthy aging well before the onset of age-related conditions. Here, we leveraged results from two longitudinal population-based cohorts ( N =5,019 samples from 2,348 individuals) to characterize trajectories of adult clock sites from birth to early adulthood. We find that clock sites (i) diverge widely in their developmental trajectories, often showing non-linear change over time; (ii) are substantially more likely than non-clock sites to vary between individuals already from birth, differences that are predictive of DNAm variation at later ages; and (iii) show enrichment for genetic and prenatal environmental exposures, supporting an early-origins perspective to epigenetic aging.

Infections during pregnancy have been robustly associated with adverse mental and physical health outcomes in offspring, yet the underlying molecular pathways remain largely unknown. Here, we examined whether exposure to common infections in utero associates with DNA methylation (DNAm) patterns at birth and whether this in turn relates to offspring health outcomes in the general population. Using data from 2,367 children from the Dutch population-based Generation R Study, we first performed an epigenome-wide association study to identify differentially methylated sites and regions at birth associated with prenatal infection exposure. We also examined the influence of infection timing by using self-reported cumulative infection scores for each trimester. Second, we sought to develop an aggregate methylation profile score (MPS) based on cord blood DNAm as an epigenetic proxy of prenatal infection exposure and tested whether this MPS prospectively associates with offspring health outcomes, including psychiatric symptoms, BMI, and asthma at ages 13–16 years. Third, we investigated whether prenatal infection exposure associates with offspring epigenetic age acceleration – a marker of biological aging. Across all analysis steps, we tested whether our findings replicate in 864 participants from an independent population-based cohort (ALSPAC, UK). We observed no differentially methylated sites or regions in cord blood in relation to prenatal infection exposure, after multiple testing correction. 33 DNAm sites showed suggestive associations (p < 5e10 − 5; of which one was also nominally associated in ALSPAC), indicating potential links to genes associated with immune, neurodevelopmental, and cardiovascular pathways. While the MPS of prenatal infections associated with maternal reports of infections in the internal hold out sample in the Generation R Study (R2incremental = 0.049), it did not replicate in ALSPAC (R2incremental = 0.001), and it did not prospectively associate with offspring health outcomes in either cohort. Moreover, we observed no association between prenatal exposure to infections and epigenetic age acceleration across cohorts and clocks. In contrast to prior studies, which reported DNAm differences in offspring exposed to severe infections in utero, we do not find evidence for associations between self-reported clinically evident common infections during pregnancy and DNAm or epigenetic aging in cord blood within the general pediatric population. Future studies are needed to establish whether associations exist but are too subtle to be statistically meaningful with present sample sizes, whether they replicate in a cohort with a more similar infection score as our discovery cohort, whether they occur in different tissues than cord blood, and whether other biological pathways may be more relevant for mediating the effect of prenatal common infection exposure on downstream offspring health outcomes.

Abstract Childhood appetitive traits are consistently associated with obesity risk, and yet their etiology is poorly understood. Appetitive traits are complex phenotypes which are hypothesized to be influenced by both genetic and environmental factors, as well as their interactions. Early-life epigenetic processes, such as DNA methylation (DNAm), may be involved in the developmental programming of appetite regulation in childhood. In the current study, we meta-analyzed epigenome-wide association studies (EWASs) of cord blood DNAm and early-childhood appetitive traits. Data were from two independent cohorts: the Generation R Study ( n =1,086, Rotterdam, the Netherlands) and the Healthy Start study ( n =236, Colorado, USA). DNAm at autosomal methylation sites in cord blood was measured using the Illumina Infinium HumanMethylation450 BeadChip. Parents reported on their child’s food responsiveness, emotional undereating, satiety responsiveness and food fussiness using the Children’s Eating Behaviour Questionnaire at age 4-5 years. Multiple regression models were used to examine the association of DNAm (predictor) at the individual site- and regional-level (using DMRff) with each appetitive trait (outcome), adjusting for covariates. Bonferroni-correction was applied to adjust for multiple testing. There were no associations of DNAm and any appetitive trait at the individual site-level. However, at the regional level, we identified 45 associations of DNAm with food responsiveness, 7 associations of DNAm with emotional undereating, 13 associations of DNAm with satiety responsiveness, and 9 associations of DNAm with food fussiness. This study shows that DNAm in the newborn may partially explain variation in appetitive traits expressed in early childhood and provides preliminary support for early programming of child appetitive traits through DNAm. Investigating differential DNAm associated with appetitive traits could be an important first step in identifying biological pathways underlying the development of these behaviors.