Genome-wide association studies have identified numerous loci linked with complex diseases, for which the molecular mechanisms remain largely unclear. Comprehensive molecular profiling of circulating metabolites captures highly heritable traits, which can help to uncover metabolic pathophysiology underlying established disease variants. We conduct an extended genome-wide association study of genetic influences on 123 circulating metabolic traits quantified by nuclear magnetic resonance metabolomics from up to 24,925 individuals and identify eight novel loci for amino acids, pyruvate and fatty acids. The LPA locus link with cardiovascular risk exemplifies how detailed metabolic profiling may inform underlying aetiology via extensive associations with very-low-density lipoprotein and triglyceride metabolism. Genetic fine mapping and Mendelian randomization uncover wide-spread causal effects of lipoprotein(a) on overall lipoprotein metabolism and we assess potential pleiotropic consequences of genetically elevated lipoprotein(a) on diverse morbidities via electronic health-care records. Our findings strengthen the argument for safe LPA-targeted intervention to reduce cardiovascular risk.

Objective Butyrate exerts metabolic benefits in mice and humans, the underlying mechanisms being still unclear. We aimed to investigate the effect of butyrate on appetite and energy expenditure, and to what extent these two components contribute to the beneficial metabolic effects of butyrate. Design Acute effects of butyrate on appetite and its method of action were investigated in mice following an intragastric gavage or intravenous injection of butyrate. To study the contribution of satiety to the metabolic benefits of butyrate, mice were fed a high-fat diet with butyrate, and an additional pair-fed group was included. Mechanistic involvement of the gut-brain neural circuit was investigated in vagotomised mice. Results Acute oral, but not intravenous, butyrate administration decreased food intake, suppressed the activity of orexigenic neurons that express neuropeptide Y in the hypothalamus, and decreased neuronal activity within the nucleus tractus solitarius and dorsal vagal complex in the brainstem. Chronic butyrate supplementation prevented diet-induced obesity, hyperinsulinaemia, hypertriglyceridaemia and hepatic steatosis, largely attributed to a reduction in food intake. Butyrate also modestly promoted fat oxidation and activated brown adipose tissue (BAT), evident from increased utilisation of plasma triglyceride-derived fatty acids. This effect was not due to the reduced food intake, but explained by an increased sympathetic outflow to BAT. Subdiaphragmatic vagotomy abolished the effects of butyrate on food intake as well as the stimulation of metabolic activity in BAT. Conclusion Butyrate acts on the gut-brain neural circuit to improve energy metabolism via reducing energy intake and enhancing fat oxidation by activating BAT.

Body fat distribution is, next to overall obesity, an important risk factor for cardiometabolic outcomes in the general population. In particular, visceral adipose tissue (VAT) is strongly associated with cardiometabolic risk factors. Since it is unclear whether body fat distribution is also important in men and women with obesity we investigated the associations between measures of body fat distribution and cardiometabolic risk factors in men and women with obesity.In this cross-sectional analysis of obese men and women (BMI≥30 kg/m2) included in the Netherlands Epidemiology of Obesity Study, waist:hip ratio(WHR), waist circumference, and MRI-based abdominal subcutaneous adipose tissue (aSAT) and VAT were determined. Associations between measures of body fat distribution and presence of ≥1 risk factor, such as hypertension or hypertriglyceridemia, were examined using logistic regression analyses; stratified by sex and adjusted for age, ethnicity, education, tobacco smoking, alcohol consumption, physical activity and depending on the association additionally for total body fat or VAT.We included 2,983 obese individuals (57% women) with a mean age of 56 and standard deviation (SD) of 6 and mean BMI of 34.0 kg/m2 (4.0), after exclusion of individuals with missing values of cardiometabolic risk factors (n = 33). 241 individuals were obese without other cardiometabolic risk factors. In obese women, all measures of body fat distribution except aSAT (OR per SD:0.76, 95%CI: 0.53, 1.10) were associated with having ≥1 cardiometabolic risk factor, of which VAT most strongly associated (5.77; 3.02, 11.01). In obese men, associations of body fat distribution and the presence of cardiometabolic risk factors were attenuated. (e.g. VAT:1.42; 0.84, 2.41).In obese women, but less so in men, measures of body fat distribution, of which VAT most strongly, are associated with cardiometabolic risk factors.

Circadian rhythm disturbances are observed in, e.g., aging and neurodegenerative diseases and are associated with an increased incidence of obesity and diabetes. We subjected male C57Bl/6J mice to constant light [12-h light-light (LL) cycle] to examine the effects of a disturbed circadian rhythm on energy metabolism and insulin sensitivity. In vivo electrophysiological recordings in the central pacemaker of the suprachiasmatic nuclei (SCN) revealed an immediate reduction in rhythm amplitude, stabilizing at 44% of normal amplitude values after 4 d LL. Food intake was increased (+26%) and energy expenditure decreased (–13%), and we observed immediate body weight gain (d 4: +2.4%, d 14: +5.0%). Mixed model analysis revealed that weight gain developed more rapidly in response to LL as compared to high fat. After 4 wk in LL, the circadian pattern in feeding and energy expenditure was completely lost, despite continuing low-amplitude rhythms in the SCN and in behavior, whereas weight gain had stabilized. Hyperinsulinemic-euglycemic clamp analysis revealed complete abolishment of normal circadian variation in insulin sensitivity in LL. In conclusion, a reduction in amplitude of the SCN, to values previously observed in aged mice, is sufficient to induce a complete loss of circadian rhythms in energy metabolism and insulin sensitivity.—Coomans, C. P., van den Berg, S. A. A., Houben, T., van Klinken, J.-B., van den Berg, R., Pronk, A. C. M., Havekes, L. M., Romijn, J. A., Willems van Dijk, K., Biermasz, N. R., Meijer, J. H. Detrimental effects of constant light exposure and high-fat diet on circadian energy metabolism and insulin sensitivity. FASEB J. 27, 1721–1732 (2013). www.fasebj.org

Abstract Glycaemic traits are used to diagnose and monitor type 2 diabetes, and cardiometabolic health. To date, most genetic studies of glycaemic traits have focused on individuals of European ancestry. Here, we aggregated genome-wide association studies in up to 281,416 individuals without diabetes (30% non-European ancestry) with fasting glucose, 2h-glucose post-challenge, glycated haemoglobin, and fasting insulin data. Trans-ancestry and single-ancestry meta-analyses identified 242 loci (99 novel; P <5×10 -8 ), 80% with no significant evidence of between-ancestry heterogeneity. Analyses restricted to European ancestry individuals with equivalent sample size would have led to 24 fewer new loci. Compared to single-ancestry, equivalent sized trans-ancestry fine-mapping reduced the number of estimated variants in 99% credible sets by a median of 37.5%. Genomic feature, gene-expression and gene-set analyses revealed distinct biological signatures for each trait, highlighting different underlying biological pathways. Our results increase understanding of diabetes pathophysiology by use of trans-ancestry studies for improved power and resolution.

Abstract Pubertal timing varies considerably and is associated with later health outcomes. We performed multi-ancestry genetic analyses on ~800,000 women, identifying 1,080 signals for age at menarche. Collectively, these explained 11% of trait variance in an independent sample. Women at the top and bottom 1% of polygenic risk exhibited ~11 and ~14-fold higher risks of delayed and precocious puberty, respectively. We identified several genes harboring rare loss-of-function variants in ~200,000 women, including variants in ZNF483 , which abolished the impact of polygenic risk. Variant-to-gene mapping approaches and mouse gonadotropin-releasing hormone neuron RNA sequencing implicated 665 genes, including an uncharacterized G-protein-coupled receptor, GPR83 , which amplified the signaling of MC3R , a key nutritional sensor. Shared signals with menopause timing at genes involved in DNA damage response suggest that the ovarian reserve might signal centrally to trigger puberty. We also highlight body size-dependent and independent mechanisms that potentially link reproductive timing to later life disease.

Abstract The timing of puberty is a highly polygenic childhood trait that is epidemiologically associated with various adult diseases. Here, we analyse 1000-Genome reference panel imputed genotype data on up to ~370,000 women and identify 389 independent signals (all P<5×10 −8 ) for age at menarche, a notable milestone in female pubertal development. In Icelandic data from deCODE, these signals explain ~7.4% of the population variance in age at menarche, corresponding to one quarter of the estimated heritability. We implicate over 250 genes via coding variation or associated gene expression, and demonstrate enrichment across genes active in neural tissues. We identify multiple rare variants near the imprinted genes MKRN3 and DLK1 that exhibit large effects on menarche only when paternally inherited. Disproportionate effects of variants on early or late puberty timing are observed: single variant and heritability estimates are larger for early than late puberty timing in females. The opposite pattern is seen in males, with larger estimates for late than early puberty timing. Mendelian randomization analyses indicate causal inverse associations, independent of BMI, between puberty timing and risks for breast and endometrial cancers in women, and prostate cancer in men. In aggregate, our findings reveal new complexity in the genetic regulation of puberty timing and support new causal links with adult cancer risks.

Abstract A major challenge of genome-wide association studies (GWAS) is to translate phenotypic associations into biological insights. Here, we integrate a large GWAS on blood lipids involving 1.6 million individuals from five ancestries with a wide array of functional genomic datasets to discover regulatory mechanisms underlying lipid associations. We first prioritize lipid-associated genes with expression quantitative trait locus (eQTL) colocalizations, and then add chromatin interaction data to narrow the search for functional genes. Polygenic enrichment analysis across 697 annotations from a host of tissues and cell types confirms the central role of the liver in lipid levels, and highlights the selective enrichment of adipose-specific chromatin marks in high-density lipoprotein cholesterol and triglycerides. Overlapping transcription factor (TF) binding sites with lipid-associated loci identifies TFs relevant in lipid biology. In addition, we present an integrative framework to prioritize causal variants at GWAS loci, producing a comprehensive list of candidate causal genes and variants with multiple layers of functional evidence. Two prioritized genes, CREBRF and RRBP1 , show convergent evidence across functional datasets supporting their roles in lipid biology.

Both short and long sleep are associated with an adverse lipid profile, likely through different biological pathways. To provide new insights in the biology of sleep-associated adverse lipid profile, we conducted multi-ancestry genome-wide sleep-SNP interaction analyses on three lipid traits (HDL-c, LDL-c and triglycerides). In the total study sample (discovery + replication) of 126,926 individuals from 5 different ancestry groups, when considering either long or short total sleep time interactions in joint analyses, we identified 49 novel lipid loci, and 10 additional novel lipid loci in a restricted sample of European-ancestry cohorts. In addition, we identified new gene-sleep interactions for known lipid loci such as LPL and PCSK9. The novel gene-sleep interactions had a modest explained variance in lipid levels: most notable, gene-short-sleep interactions explained 4.25% of the variance in triglyceride concentration. Collectively, these findings contribute to our understanding of the biological mechanisms involved in sleep-associated adverse lipid profiles.