BackgroundObesity is a major health problem that is determined by interactions between lifestyle and environmental and genetic factors. Although associations between several genetic variants and body-mass index (BMI) have been identified, little is known about epigenetic changes related to BMI. We undertook a genome-wide analysis of methylation at CpG sites in relation to BMI.Methods479 individuals of European origin recruited by the Cardiogenics Consortium formed our discovery cohort. We typed their whole-blood DNA with the Infinium HumanMethylation450 array. After quality control, methylation levels were tested for association with BMI. Methylation sites showing an association with BMI at a false discovery rate q value of 0·05 or less were taken forward for replication in a cohort of 339 unrelated white patients of northern European origin from the MARTHA cohort. Sites that remained significant in this primary replication cohort were tested in a second replication cohort of 1789 white patients of European origin from the KORA cohort. We examined whether methylation levels at identified sites also showed an association with BMI in DNA from adipose tissue (n=635) and skin (n=395) obtained from white female individuals participating in the MuTHER study. Finally, we examined the association of methylation at BMI-associated sites with genetic variants and with gene expression.Findings20 individuals from the discovery cohort were excluded from analyses after quality-control checks, leaving 459 participants. After adjustment for covariates, we identified an association (q value ≤0·05) between methylation at five probes across three different genes and BMI. The associations with three of these probes—cg22891070, cg27146050, and cg16672562, all of which are in intron 1 of HIF3A—were confirmed in both the primary and second replication cohorts. For every 0·1 increase in methylation β value at cg22891070, BMI was 3·6% (95% CI 2·4–4·9) higher in the discovery cohort, 2·7% (1·2–4·2) higher in the primary replication cohort, and 0·8% (0·2–1·4) higher in the second replication cohort. For the MuTHER cohort, methylation at cg22891070 was associated with BMI in adipose tissue (p=1·72 × 10−5) but not in skin (p=0·882). We observed a significant inverse correlation (p=0·005) between methylation at cg22891070 and expression of one HIF3A gene-expression probe in adipose tissue. Two single nucleotide polymorphisms—rs8102595 and rs3826795—had independent associations with methylation at cg22891070 in all cohorts. However, these single nucleotide polymorphisms were not significantly associated with BMI.InterpretationIncreased BMI in adults of European origin is associated with increased methylation at the HIF3A locus in blood cells and in adipose tissue. Our findings suggest that perturbation of hypoxia inducible transcription factor pathways could have an important role in the response to increased weight in people.FundingThe European Commission, National Institute for Health Research, British Heart Foundation, and Wellcome Trust.

Making sense of rapidly evolving evidence on genetic associations is crucial to making genuine advances in human genomics and the eventual integration of this information into the practice of medicine and public health. Assessment of the strengths and weaknesses of this evidence, and hence the ability to synthesize it, has been limited by inadequate reporting of results. The STrengthening the REporting of Genetic Association studies (STREGA) initiative builds on the STrengthening the Reporting of Observational Studies in Epidemiology (STROBE) Statement and provides additions to 12 of the 22 items on the STROBE checklist. The additions concern population stratification, genotyping errors, modeling haplotype variation, Hardy-Weinberg equilibrium, replication, selection of participants, rationale for choice of genes and variants, treatment effects in studying quantitative traits, statistical methods, relatedness, reporting of descriptive and outcome data, and issues of data volume that are important to consider in genetic association studies. The STREGA recommendations do not prescribe or dictate how a genetic association study should be designed but seek to enhance the transparency of its reporting, regardless of choices made during design, conduct, or analysis.

Mounting evidence from both animal and human studies suggests that the epigenome is in constant drift over the life course in response to stochastic and environmental factors. In humans, this has been highlighted by a small number of studies that have demonstrated discordant DNA methylation patterns in adolescent or adult monozygotic (MZ) twin pairs. However, to date, it remains unclear when such differences emerge, and how prevalent they are across different tissues. To address this, we examined the methylation of four differentially methylated regions associated with the IGF2/H19 locus in multiple birth tissues derived from 91 twin pairs: 56 MZ and 35 dizygotic (DZ). Tissues included cord blood-derived mononuclear cells and granulocytes, human umbilical vein endothelial cells, buccal epithelial cells and placental tissue. Considerable variation in DNA methylation was observed between tissues and between unrelated individuals. Most interestingly, methylation discordance was also present within twin pairs, with DZ pairs showing greater discordance than MZ pairs. These data highlight the variable contribution of both intrauterine environmental exposures and underlying genetic factors to the establishment of the neonatal epigenome of different tissues and confirm the intrauterine period as a sensitive time for the establishment of epigenetic variability in humans. This has implications for the effects of maternal environment on the development of the newborn epigenome and supports an epigenetic mechanism for the previously described phenomenon of ‘fetal programming’ of disease risk.

Characterizing genetic influences on DNA methylation (DNAm) provides an opportunity to understand mechanisms underpinning gene regulation and disease. In the present study, we describe results of DNAm quantitative trait locus (mQTL) analyses on 32,851 participants, identifying genetic variants associated with DNAm at 420,509 DNAm sites in blood. We present a database of >270,000 independent mQTLs, of which 8.5% comprise long-range (trans) associations. Identified mQTL associations explain 15–17% of the additive genetic variance of DNAm. We show that the genetic architecture of DNAm levels is highly polygenic. Using shared genetic control between distal DNAm sites, we constructed networks, identifying 405 discrete genomic communities enriched for genomic annotations and complex traits. Shared genetic variants are associated with both DNAm levels and complex diseases, but only in a minority of cases do these associations reflect causal relationships from DNAm to trait or vice versa, indicating a more complex genotype–phenotype map than previously anticipated. DNA methylation quantitative trait locus (mQTL) analyses on 32,851 participants identify genetic variants associated with DNA methylation at 420,509 sites in blood, resulting in a database of >270,000 independent mQTLs.

Comparison between groups of monozygotic (MZ) and dizygotic (DZ) twins enables an estimation of the relative contribution of genetic and shared and nonshared environmental factors to phenotypic variability. Using DNA methylation profiling of ∼20,000 CpG sites as a phenotype, we have examined discordance levels in three neonatal tissues from 22 MZ and 12 DZ twin pairs. MZ twins exhibit a wide range of within-pair differences at birth, but show discordance levels generally lower than DZ pairs. Within-pair methylation discordance was lowest in CpG islands in all twins and increased as a function of distance from islands. Variance component decomposition analysis of DNA methylation in MZ and DZ pairs revealed a low mean heritability across all tissues, although a wide range of heritabilities was detected for specific genomic CpG sites. The largest component of variation was attributed to the combined effects of nonshared intrauterine environment and stochastic factors. Regression analysis of methylation on birth weight revealed a general association between methylation of genes involved in metabolism and biosynthesis, providing further support for epigenetic change in the previously described link between low birth weight and increasing risk for cardiovascular, metabolic, and other complex diseases. Finally, comparison of our data with that of several older twins revealed little evidence for genome-wide epigenetic drift with increasing age. This is the first study to analyze DNA methylation on a genome scale in twins at birth, further highlighting the importance of the intrauterine environment on shaping the neonatal epigenome.

Abstract Biological ageing estimators derived from DNA methylation (DNAm) data are heritable and correlate with morbidity and mortality. Leveraging DNAm and SNP data from >41,000 individuals, we identify 137 genome-wide significant loci (113 novel) from meta-analyses of four epigenetic clocks and epigenetic surrogate markers for granulocyte proportions and plasminogen activator inhibitor 1 levels, respectively. We report strong genetic correlations with longevity and lifestyle factors such as smoking, education, and obesity. Significant associations are observed in polygenic risk score analysis and to a lesser extent in Mendelian randomization analyses. This study illuminates the genetic architecture underlying epigenetic ageing and its shared genetic contributions with lifestyle factors and longevity.

Abstract Aims and methods Our aim was to characterise the methylation level of a polymorphically imprinted gene, VTRNA2-1 / nc886 , in human populations and somatic tissues. We utilised 48 datasets, consisting of >30 different tissues and >30 000 individuals. Results We show that the nc886 methylation status is associated with twin status and ethnic background, but the variation between populations is limited. Monozygotic twin pairs present concordant methylation, while ∼30% of dizygotic twin pairs present discordant methylation in the nc886 locus. The methylation levels of nc886 are uniform across somatic tissues, except in cerebellum and skeletal muscle. Conclusion We hypothesize that the nc886 imprint is established in the oocyte and that after implantation, the methylation status is stable, excluding a few specific tissues.

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.

Evolutionary theories suggest a trade-off between resources allocated to reproduction and those allocated to self-maintenance, and predict that higher reproductive output entails a shorter lifespan. This study investigates the impact of childbearing on aging and lifespan using data from contemporary Finnish twin women. We model the association between reproductive trajectories and survival in 17,080 women, and assess biological aging in a subset of participants (N=1,117) using the PCGrimAge clock, an algorithm trained to predict biological aging and mortality risk from DNA methylation. Our findings suggest that early childbearing, numerous pregnancies or nulliparity all contribute to accelerated aging and increased mortality risk. These results provide strong evidence for the existence of a trade-off between reproduction, aging and lifespan in modern humans, and provide novel insights into the genetic and lifestyle determinants of healthspan.

Tobacco smoking is a risk factor for multiple diseases, including cardiovascular disease and diabetes. Many smoking-associated signals have been detected in the blood methylome, but the extent to which these changes are widespread to metabolically relevant tissues, and impact gene expression or cardio-metabolic health, remains unclear. We investigated smoking-associated DNA methylation and gene expression variation in adipose tissue from 542 healthy female twins with available well-characterized cardio-metabolic phenotype profiles. We identified 42 smoking-methylation and 42 smoking-expression signals, where five genes (AHRR, CYP1A1, CYP1B1, CYTL1, F2RL3) were both hypo-methylated and up-regulated in smokers. We replicated and validated a proportion of the signals in blood, adipose, skin, and lung tissue datasets, identifying tissue-shared effects. Smoking leaves systemic imprints on DNA methylation after smoking cessation, with stronger but shorter-lived effects on gene expression. We tested for associations between the observed smoking signals and several adiposity phenotypes that constitute cardio-metabolic disease risk. Visceral fat and android/gynoid ratio were associated with methylation at smoking-markers with functional impacts on expression, such as CYP1A1, and in signals shared across tissues, such as NOTCH1. At smoking-signals BHLHE40 and AHRR DNA methylation and gene expression levels in current smokers were predictive of future gain in visceral fat upon smoking cessation. Our results provide the first comprehensive characterization of coordinated DNA methylation and gene expression markers of smoking in adipose tissue, a subset of which link to human cardio-metabolic health and may give insights into the wide-ranging risk effects of smoking across the body.