Despite great progress in identifying genetic variants that influence human disease, most inherited risk remains unexplained. A more complete understanding requires genome-wide studies that fully examine less common alleles in populations with a wide range of ancestry. To inform the design and interpretation of such studies, we genotyped 1.6 million common single nucleotide polymorphisms (SNPs) in 1,184 reference individuals from 11 global populations, and sequenced ten 100-kilobase regions in 692 of these individuals. This integrated data set of common and rare alleles, called ‘HapMap 3’, includes both SNPs and copy number polymorphisms (CNPs). We characterized population-specific differences among low-frequency variants, measured the improvement in imputation accuracy afforded by the larger reference panel, especially in imputing SNPs with a minor allele frequency of ≤5%, and demonstrated the feasibility of imputing newly discovered CNPs and SNPs. This expanded public resource of genome variants in global populations supports deeper interrogation of genomic variation and its role in human disease, and serves as a step towards a high-resolution map of the landscape of human genetic variation. The International HapMap Consortium, established to develop a haplotype map of the human genome describing the common patterns of DNA sequence variation, has now reached its third incarnation. HapMap1, published in 2005 (go.nature.com/gJisDm), contained more than a million SNP (single nucleotide polymorphism) genotypes generated in 269 individuals from four geographically diverse populations. Two years later, HapMap2 (go.nature.com/WttNWX) added more than 2.1 million SNPs to the original map in the same 269 individuals. With the aim of providing a resource for the latest wave of genome-wide studies focused on disease linkages, HapMap3 casts the net wider. About 1.6 million common SNPs were genotyped in 1,184 individuals from 11 global populations, and ten 100-kilobase regions were sequenced in 692 of these individuals. Here, the analysis of 'HapMap 3' is reported — a public data set of genomic variants in human populations. The resource integrates common and rare single nucleotide polymorphisms (SNPs) and copy number polymorphisms (CNPs) from 11 global populations, providing insights into population-specific differences among variants. It also demonstrates the feasibility of imputing newly discovered rare SNPs and CNPs.

Multiple sclerosis is a disease of the central nervous system that involves interplay between inflammation and neurodegeneration. Despite intensive study, much of the genetic architecture underlying susceptibility to the disease remains to be defined. A large, international, collaborative genome-wide association study involving almost 10,000 cases, all of European descent, has confirmed about 20 previously reported multiple-sclerosis-linked regions of DNA, and identified an additional 29 novel susceptibility loci. Further analysis implicates the differentiation of T-helper cells as particularly relevant to the pathogenesis of this disease. Multiple sclerosis is a common disease of the central nervous system in which the interplay between inflammatory and neurodegenerative processes typically results in intermittent neurological disturbance followed by progressive accumulation of disability1. Epidemiological studies have shown that genetic factors are primarily responsible for the substantially increased frequency of the disease seen in the relatives of affected individuals2,3, and systematic attempts to identify linkage in multiplex families have confirmed that variation within the major histocompatibility complex (MHC) exerts the greatest individual effect on risk4. Modestly powered genome-wide association studies (GWAS)5,6,7,8,9,10 have enabled more than 20 additional risk loci to be identified and have shown that multiple variants exerting modest individual effects have a key role in disease susceptibility11. Most of the genetic architecture underlying susceptibility to the disease remains to be defined and is anticipated to require the analysis of sample sizes that are beyond the numbers currently available to individual research groups. In a collaborative GWAS involving 9,772 cases of European descent collected by 23 research groups working in 15 different countries, we have replicated almost all of the previously suggested associations and identified at least a further 29 novel susceptibility loci. Within the MHC we have refined the identity of the HLA-DRB1 risk alleles and confirmed that variation in the HLA-A gene underlies the independent protective effect attributable to the class I region. Immunologically relevant genes are significantly overrepresented among those mapping close to the identified loci and particularly implicate T-helper-cell differentiation in the pathogenesis of multiple sclerosis.

Host-mediated lung inflammation is present1, and drives mortality2, in the critical illness caused by coronavirus disease 2019 (COVID-19). Host genetic variants associated with critical illness may identify mechanistic targets for therapeutic development3. Here we report the results of the GenOMICC (Genetics Of Mortality In Critical Care) genome-wide association study in 2,244 critically ill patients with COVID-19 from 208 UK intensive care units. We have identified and replicated the following new genome-wide significant associations: on chromosome 12q24.13 (rs10735079, P = 1.65 × 10-8) in a gene cluster that encodes antiviral restriction enzyme activators (OAS1, OAS2 and OAS3); on chromosome 19p13.2 (rs74956615, P = 2.3 × 10-8) near the gene that encodes tyrosine kinase 2 (TYK2); on chromosome 19p13.3 (rs2109069, P = 3.98 × 10-12) within the gene that encodes dipeptidyl peptidase 9 (DPP9); and on chromosome 21q22.1 (rs2236757, P = 4.99 × 10-8) in the interferon receptor gene IFNAR2. We identified potential targets for repurposing of licensed medications: using Mendelian randomization, we found evidence that low expression of IFNAR2, or high expression of TYK2, are associated with life-threatening disease; and transcriptome-wide association in lung tissue revealed that high expression of the monocyte-macrophage chemotactic receptor CCR2 is associated with severe COVID-19. Our results identify robust genetic signals relating to key host antiviral defence mechanisms and mediators of inflammatory organ damage in COVID-19. Both mechanisms may be amenable to targeted treatment with existing drugs. However, large-scale randomized clinical trials will be essential before any change to clinical practice.

The genetic architecture of common traits, including the number, frequency, and effect sizes of inherited variants that contribute to individual risk, has been long debated. Genome-wide association studies have identified scores of common variants associated with type 2 diabetes, but in aggregate, these explain only a fraction of the heritability of this disease. Here, to test the hypothesis that lower-frequency variants explain much of the remainder, the GoT2D and T2D-GENES consortia performed whole-genome sequencing in 2,657 European individuals with and without diabetes, and exome sequencing in 12,940 individuals from five ancestry groups. To increase statistical power, we expanded the sample size via genotyping and imputation in a further 111,548 subjects. Variants associated with type 2 diabetes after sequencing were overwhelmingly common and most fell within regions previously identified by genome-wide association studies. Comprehensive enumeration of sequence variation is necessary to identify functional alleles that provide important clues to disease pathophysiology, but large-scale sequencing does not support the idea that lower-frequency variants have a major role in predisposition to type 2 diabetes.

Richard Trembath, Peter Donnelly and colleagues report a genome-wide association study identifying six new psoriasis susceptibility loci. They also identify a statistical interaction between HLA-C and ERAP1 in psoriasis susceptibility. To identify new susceptibility loci for psoriasis, we undertook a genome-wide association study of 594,224 SNPs in 2,622 individuals with psoriasis and 5,667 controls. We identified associations at eight previously unreported genomic loci. Seven loci harbored genes with recognized immune functions (IL28RA, REL, IFIH1, ERAP1, TRAF3IP2, NFKBIA and TYK2). These associations were replicated in 9,079 European samples (six loci with a combined P < 5 × 10−8 and two loci with a combined P < 5 × 10−7). We also report compelling evidence for an interaction between the HLA-C and ERAP1 loci (combined P = 6.95 × 10−6). ERAP1 plays an important role in MHC class I peptide processing. ERAP1 variants only influenced psoriasis susceptibility in individuals carrying the HLA-C risk allele. Our findings implicate pathways that integrate epidermal barrier dysfunction with innate and adaptive immune dysregulation in psoriasis pathogenesis.

Matthew Brown, Peter Donnelly and colleagues report results of a genome-wide association meta-analysis and follow-up study of ankylosing spondylitis. They identify three new risk variants and report a genetic interaction between ERAP1 and HLA-B27, implicating aberrant peptide handling in the pathophysiology of this disease. Ankylosing spondylitis is a common form of inflammatory arthritis predominantly affecting the spine and pelvis that occurs in approximately 5 out of 1,000 adults of European descent. Here we report the identification of three variants in the RUNX3, LTBR-TNFRSF1A and IL12B regions convincingly associated with ankylosing spondylitis (P < 5 × 10−8 in the combined discovery and replication datasets) and a further four loci at PTGER4, TBKBP1, ANTXR2 and CARD9 that show strong association across all our datasets (P < 5 × 10−6 overall, with support in each of the three datasets studied). We also show that polymorphisms of ERAP1, which encodes an endoplasmic reticulum aminopeptidase involved in peptide trimming before HLA class I presentation, only affect ankylosing spondylitis risk in HLA-B27–positive individuals. These findings provide strong evidence that HLA-B27 operates in ankylosing spondylitis through a mechanism involving aberrant processing of antigenic peptides.

Various species of the intestinal microbiota have been associated with the development of colorectal cancer1,2, but it has not been demonstrated that bacteria have a direct role in the occurrence of oncogenic mutations. Escherichia coli can carry the pathogenicity island pks, which encodes a set of enzymes that synthesize colibactin3. This compound is believed to alkylate DNA on adenine residues4,5 and induces double-strand breaks in cultured cells3. Here we expose human intestinal organoids to genotoxic pks+ E. coli by repeated luminal injection over five months. Whole-genome sequencing of clonal organoids before and after this exposure revealed a distinct mutational signature that was absent from organoids injected with isogenic pks-mutant bacteria. The same mutational signature was detected in a subset of 5,876 human cancer genomes from two independent cohorts, predominantly in colorectal cancer. Our study describes a distinct mutational signature in colorectal cancer and implies that the underlying mutational process results directly from past exposure to bacteria carrying the colibactin-producing pks pathogenicity island. Organoids derived from human intestinal cells that are co-cultured with bacteria carrying the genotoxic pks+ island develop a distinct mutational signature associated with colorectal cancer.

Gil McVean and colleagues report a meta-analysis of Immunochip studies including over 17,000 multiple sclerosis cases and 30,000 controls, with imputation of classical HLA alleles. They find two interactions involving class II HLA alleles but no evidence for significant epistatic interactions or interactions between HLA and non-HLA risk variants. Association studies have greatly refined the understanding of how variation within the human leukocyte antigen (HLA) genes influences risk of multiple sclerosis. However, the extent to which major effects are modulated by interactions is poorly characterized. We analyzed high-density SNP data on 17,465 cases and 30,385 controls from 11 cohorts of European ancestry, in combination with imputation of classical HLA alleles, to build a high-resolution map of HLA genetic risk and assess the evidence for interactions involving classical HLA alleles. Among new and previously identified class II risk alleles (HLA-DRB1*15:01, HLA-DRB1*13:03, HLA-DRB1*03:01, HLA-DRB1*08:01 and HLA-DQB1*03:02) and class I protective alleles (HLA-A*02:01, HLA-B*44:02, HLA-B*38:01 and HLA-B*55:01), we find evidence for two interactions involving pairs of class II alleles: HLA-DQA1*01:01–HLA-DRB1*15:01 and HLA-DQB1*03:01–HLA-DQB1*03:02. We find no evidence for interactions between classical HLA alleles and non-HLA risk-associated variants and estimate a minimal effect of polygenic epistasis in modulating major risk alleles.

Background & AimsAnti–tumor necrosis factor (anti-TNF) therapies are the most widely used biologic drugs for treating immune-mediated diseases, but repeated administration can induce the formation of anti-drug antibodies. The ability to identify patients at increased risk for development of anti-drug antibodies would facilitate selection of therapy and use of preventative strategies.MethodsWe performed a genome-wide association study to identify variants associated with time to development of anti-drug antibodies in a discovery cohort of 1240 biologic-naïve patients with Crohn’s disease starting infliximab or adalimumab therapy. Immunogenicity was defined as an anti-drug antibody titer ≥10 AU/mL using a drug-tolerant enzyme-linked immunosorbent assay. Significant association signals were confirmed in a replication cohort of 178 patients with inflammatory bowel disease.ResultsThe HLA-DQA1*05 allele, carried by approximately 40% of Europeans, significantly increased the rate of immunogenicity (hazard ratio [HR], 1.90; 95% confidence interval [CI], 1.60–2.25; P = 5.88 × 10–13). The highest rates of immunogenicity, 92% at 1 year, were observed in patients treated with infliximab monotherapy who carried HLA-DQA1*05; conversely the lowest rates of immunogenicity, 10% at 1 year, were observed in patients treated with adalimumab combination therapy who did not carry HLA-DQA1*05. We confirmed this finding in the replication cohort (HR, 2.00; 95% CI, 1.35–2.98; P = 6.60 × 10–4). This association was consistent for patients treated with adalimumab (HR, 1.89; 95% CI, 1.32–2.70) or infliximab (HR, 1.92; 95% CI, 1.57–2.33), and for patients treated with anti-TNF therapy alone (HR, 1.75; 95% CI, 1.37–2.22) or in combination with an immunomodulator (HR, 2.01; 95% CI, 1.57–2.58).ConclusionsIn an observational study, we found a genome-wide significant association between HLA-DQA1*05 and the development of antibodies against anti-TNF agents. A randomized controlled biomarker trial is required to determine whether pretreatment testing for HLA-DQA1*05 improves patient outcomes by helping physicians select anti-TNF and combination therapies. ClinicalTrials.gov ID: NCT03088449. Anti–tumor necrosis factor (anti-TNF) therapies are the most widely used biologic drugs for treating immune-mediated diseases, but repeated administration can induce the formation of anti-drug antibodies. The ability to identify patients at increased risk for development of anti-drug antibodies would facilitate selection of therapy and use of preventative strategies. We performed a genome-wide association study to identify variants associated with time to development of anti-drug antibodies in a discovery cohort of 1240 biologic-naïve patients with Crohn’s disease starting infliximab or adalimumab therapy. Immunogenicity was defined as an anti-drug antibody titer ≥10 AU/mL using a drug-tolerant enzyme-linked immunosorbent assay. Significant association signals were confirmed in a replication cohort of 178 patients with inflammatory bowel disease. The HLA-DQA1*05 allele, carried by approximately 40% of Europeans, significantly increased the rate of immunogenicity (hazard ratio [HR], 1.90; 95% confidence interval [CI], 1.60–2.25; P = 5.88 × 10–13). The highest rates of immunogenicity, 92% at 1 year, were observed in patients treated with infliximab monotherapy who carried HLA-DQA1*05; conversely the lowest rates of immunogenicity, 10% at 1 year, were observed in patients treated with adalimumab combination therapy who did not carry HLA-DQA1*05. We confirmed this finding in the replication cohort (HR, 2.00; 95% CI, 1.35–2.98; P = 6.60 × 10–4). This association was consistent for patients treated with adalimumab (HR, 1.89; 95% CI, 1.32–2.70) or infliximab (HR, 1.92; 95% CI, 1.57–2.33), and for patients treated with anti-TNF therapy alone (HR, 1.75; 95% CI, 1.37–2.22) or in combination with an immunomodulator (HR, 2.01; 95% CI, 1.57–2.58). In an observational study, we found a genome-wide significant association between HLA-DQA1*05 and the development of antibodies against anti-TNF agents. A randomized controlled biomarker trial is required to determine whether pretreatment testing for HLA-DQA1*05 improves patient outcomes by helping physicians select anti-TNF and combination therapies. ClinicalTrials.gov ID: NCT03088449.

The U.K. 100,000 Genomes Project is in the process of investigating the role of genome sequencing in patients with undiagnosed rare diseases after usual care and the alignment of this research with health care implementation in the U.K. National Health Service. Other parts of this project focus on patients with cancer and infection.