Abstract Cupping of the optic nerve head, a highly heritable trait, is a hallmark of glaucomatous optic neuropathy. Two key parameters are vertical cup-to-disc ratio (VCDR) and vertical disc diameter (VDD). However, manual assessment often suffers from poor accuracy and is time-intensive. Here, we show convolutional neural network models can accurately estimate VCDR and VDD for 282,100 images from both UK Biobank and an independent study (Canadian Longitudinal Study on Aging), enabling cross-ancestry epidemiological studies and new genetic discovery for these optic nerve head parameters. Using the AI approach we perform a systematic comparison of the distribution of VCDR and VDD, and compare these with intraocular pressure and glaucoma diagnoses across various genetically determined ancestries, which provides an explanation for the high rates of normal tension glaucoma in East Asia. We then used the large number of AI gradings to conduct a more powerful genome-wide association study (GWAS) of optic nerve head parameters. Using the AI based gradings increased estimates of heritability by ~50% for VCDR and VDD. Our GWAS identified more than 200 loci for both VCDR and VDD (double the number of loci from previous studies), uncovers dozens of novel biological pathways, with many of the novel loci also conferring risk for glaucoma.

We conducted a large multi-ethnic meta-analysis of genome-wide association studies for primary open-angle glaucoma (POAG) on a total of 34,179 cases vs 349,321 controls, and identified 127 independent risk loci, almost doubling the number of known loci for POAG. The majority of loci have broadly consistent effect across European, Asian and African ancestries. We identify a link, both genome-wide and at specific loci, between POAG and Alzheimer's disease. Gene expression data and bioinformatic functional analyses provide further support for the functional relevance of the POAG risk genes. Several drug compounds target these risk genes and may be potential candidates for developing novel POAG treatments.

We analyzed summary-level data from genome-wide association studies (GWAS) of European ancestry across fourteen cancer sites to estimate the number of common susceptibility variants (polygenicity) contributing to risk, as well as the distribution of their associated effect sizes. All cancers evaluated showed polygenicity, involving at a minimum thousands of independent susceptibility variants. For some malignancies, particularly chronic lymphoid leukemia (CLL) and testicular cancer, susceptibility variants have a larger proportion of variants with larger effect sizes than those for other cancers. In contrast, most variants for lung and breast cancers have very small associated effect sizes. We estimate a wide range of GWAS sample sizes for different cancer sites required to explain 80% of GWAS heritability, varying from 60,000 cases for CLL to over 1,000,000 cases for lung cancer. The maximum relative risk achievable for subjects at the 99th risk percentile of underlying polygenic risk-scores, compared to average risk, ranges from 12 for testicular to 2.5 for ovarian cancer. We show that polygenic risk scores have substantial potential for risk stratification for relatively common cancers such as breast, prostate and colon, but limited potential for other cancer sites because of modest heritability and lower disease incidence.

Purpose: Central corneal thickness (CCT) is one of the most heritable ocular traits and it is also a phenotypic risk factor for primary open angle glaucoma (POAG). The present study uses the BXD Recombinant Inbred (RI) strains to identify novel quantitative trait loci (QTLs) modulating CCT in the mouse with the potential of identifying a molecular link between CCT and risk of developing POAG. Methods: The BXD RI strain set was used to define mammalian genomic loci modulating CCT, with a total of 818 corneas measured from 61 BXD RI strains (between 60-100 days of age). The mice were anesthetized and the eyes were positioned in front of the lens of the Phoenix Micron IV Image-Guided OCT system or the Bioptigen OCT system. CCT data for each strain was averaged and used to identify quantitative trait loci (QTLs) modulating this phenotype using the bioinformatics tools on GeneNetwork (www.genenetwork.org). The candidate genes and genomic loci identified in the mouse were then directly compared with the summary data from a human primary open-angle glaucoma (POGA) genome wide association study (NEIGHBORHOOD) to determine if any genomic elements modulating mouse CCT are also risk factors for POAG. Results: This analysis revealed one significant QTL on Chr 13 and a suggestive QTL on Chr 7. The significant locus on Chr 13 (13 to 19 Mb) was examined further to define candidate genes modulating this eye phenotype. For the Chr 13 QTL in the mouse, only one gene in the region (Pou6f2) contained nonsynonymous SNPs. Of these five nonsynonymous SNPs in Pou6f2, two resulted in changes in the amino acid proline which could result in altered secondary structure affecting protein function. The 7 Mb region under the mouse Chr 13 peak distributes over 2 chromosomes in the human: Chr 1 and Chr 7. These genomic loci were examined in the NEIGHBORHOOD database to determine if they are potential risk factors for human glaucoma identified using meta-data from human GWAS. The top 50 hits all resided within one gene (POU6F2), with the highest significance level of p = 10-6 for SNP rs76319873. POU6F2 is found in retinal ganglion cells and in corneal limbal stem cells. To test the effect of POU6F2 on CCT we examined the corneas of a Pou6f2-null mice and the corneas were thinner than those of wild-type littermates. In addition, these POU6F2 RGCs die early in the DBA/2J model of glaucoma than most RGCs. Conclusions: Using a mouse genetic reference panel, we identified a transcription factor, Pou6f2, that modulates CCT in the mouse. POU6F2 is also found in a subset of retinal ganglion cells and these RGCs are sensitive to injury.

Human perception of bitter substances is partially genetically determined. Previously we discovered a single nucleotide polymorphism (SNP) within the bitter taste receptor gene TAS2R19 on chromosome 12 that accounts for 5.8% of the variance in the perceived intensity rating of quinine, and we strengthened the classic association between TAS2R38 genotype and the bitterness of propylthiouracil (PROP). Here we performed a genome-wide association study (GWAS) using a 40% larger sample (n = 1999) together with a bivariate approach to detect previously unidentified common variants with small effects on bitter perception. We identified two signals, both with small effects (< 2%), within the bitter taste receptor clusters on chromosomes 7 and 12, which influence the perceived bitterness of denatonium benzoate and sucrose octaacetate respectively. We also provided the first independent replication for an association of caffeine bitterness on chromosome 12. Furthermore, we provided evidence for pleiotropic effects on quinine, caffeine, sucrose octaacetate and denatonium benzoate for the three SNPs on chromosome 12 and the functional importance of the SNPs for denatonium benzoate bitterness. These findings provide new insights into the genetic architecture of bitter taste and offer a useful starting point for determining the biological pathways linking perception of bitter substances.