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.

Abstract Mitochondrial DNA copy number (mtDNA-CN) measured from blood specimens is a minimally invasive marker of mitochondrial function that exhibits both inter-individual and intercellular variation. To identify genes involved in regulating mitochondrial function, we performed a genome-wide association study (GWAS) in 465,809 White individuals from the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the UK Biobank (UKB). We identified 133 SNPs with statistically significant, independent effects associated with mtDNA-CN across 100 loci. A combination of fine-mapping, variant annotation, and co-localization analyses were used to prioritize genes within each of the 133 independent sites. Putative causal genes were enriched for known mitochondrial DNA depletion syndromes ( p = 3.09 x 10 −15 ) and the gene ontology (GO) terms for mtDNA metabolism ( p = 1.43 x 10 −8 ) and mtDNA replication ( p = 1.2 x 10 −7 ). A clustering approach leveraged pleiotropy between mtDNA-CN associated SNPs and 41 mtDNA-CN associated phenotypes to identify functional domains, revealing three distinct groups, including platelet activation, megakaryocyte proliferation, and mtDNA metabolism. Finally, using mitochondrial SNPs, we establish causal relationships between mitochondrial function and a variety of blood cell related traits, kidney function, liver function and overall ( p = 0.044) and non-cancer mortality ( p = 6.56 x 10 −4 ).

Abstract Background Epidemiological studies report evidence for an association between folate and the risk of several common cancers. However, both protective and harmful effects have been reported, and effects may differ by cancer site. Using Mendelian randomisation (MR), we investigated the causal relationships of genetically predicted serum folate with pan-cancer risk (all cancers excluding non-melanoma skin cancers); breast, prostate, ovarian, lung, and colorectal cancers; and malignant melanoma. Methods We conducted a two-sample MR analysis, using genetic instruments for serum folate to appraise the possible causal role on risk of pan-cancer and six site-specific cancers using summary statistics available from large consortia and the population-based cohort study UK Biobank (UKBB). Results There was little evidence that genetically elevated serum folate was causally associated with risk of pan-cancer or six site-specific cancers. Meta-analysis showed odds ratios (OR) per SD increase in log serum folate of 0.93 (95% CI 0.78-1.11) for breast cancer, 0.87 (95% CI 0.71-1.06) for prostate cancer, 0.84 (95% CI 0.59-1.20) for ovarian cancer, and 0.87 (95% CI 0.57-1.32) for lung cancer. The OR for colorectal cancer was 1.18 (95% CI 0.64-2.18) in large consortia analysis, while ORs for pan-cancers and malignant melanoma in UKBB were 0.88 (95% CI 0.73-1.06) and 0.56 (95% CI 0.29-1.08) respectively. The results were powered to detect modest effect sizes (>90% power (α 0.05) to detect ORs 1.2 (0.8) for the GWAS consortia) and were consistent between the two statistical approaches used (inverse variance weighted (IVW) and likelihood-based). Conclusions There is little evidence that genetically elevated serum folate may affect the risk of pan-cancer and six site-specific cancers. However, we may still be underpowered to detect clinically relevant but smaller magnitude effects. Our results provide some evidence that increasing levels of circulating folate through widespread supplementation or deregulation of fortification of foods with folic acid is unlikely to lead to moderate unintended population-wide increase in cancer risk. Key Messages Observational studies have identified associations between folate (both intake and circulating levels) and risk of developing site-specific cancers. However, these studies are liable to biases such as confounding, measurement error, and reverse causation. Using Mendelian randomisation, we appraised the causal relationships between genetically influenced serum folate levels and pan-cancer risk (all cancers excluding non-melanoma skin cancers); breast, prostate, ovarian, lung, and colorectal cancers; and malignant melanoma. Overall findings suggest that there is little evidence for the causal associations between genetically influenced serum folate and risk of pan-cancer and six site-specific cancers. We provide some evidence that increasing levels of circulating folate through widespread supplementation or deregulation of fortification of foods with folic acid is unlikely to lead to moderate unintended population-wide increase in cancer risk.

Asthma heritability has only been partially explained by genetic variants and is known to be sensitive to environmental factors, implicating epigenetic modifications such as DNA methylation in its pathogenesis. Using data collected in the Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC), we assessed associations of asthma and wheeze with DNA methylation at 7.5 years and 16.5 years, at over 450,000 CpG sites in DNA from the peripheral blood of approx. 1000 participants. We used Mendelian randomization (MR), a method of causal inference that uses genetic variants as instrumental variables, to infer the direction of association between DNA methylation and asthma. We identified 302 CpGs associated with current asthma status (FDR-adjusted P-value <0.05) and 445 with current wheeze status at 7.5 years, with substantial overlap between the two. Genes annotated to the 302 associated CpGs were enriched for pathways related to movement of cellular/subcellular components, locomotion, interleukin-4 production and eosinophil migration. All associations attenuated when adjusted for eosinophil and neutrophil cell count estimates. At 16.5 years, two sites were associated with current asthma after adjustment for cell counts. The CpGs mapped to the AP2A2 and IL5RA genes, with a -2.32 [95% CI -1.47,-3.18] and -2.49 [95% CI -1.56,-3.43] change in percentage methylation in asthma cases respectively. Two-sample bi-directional MR indicated a causal effect of asthma on DNA methylation at several CpG sites at 7.5 years. However, associations did not persist after adjustment for multiple testing. There was no evidence of a causal effect of asthma on DNA methylation at either of the two CpG sites at 16.5 years. The majority of observed associations are driven by higher eosinophil cell counts in asthma cases, acting as an intermediate phenotype, with important implications for future studies of DNA methylation in atopic diseases.

Some evidence suggests that light-to-moderate alcohol consumption during pregnancy is associated with adverse outcomes in the offspring, but the precise biological mechanisms underlying such associations are currently unknown. Epigenetic modifications have been suggested as one potential explanation. Within the Pregnancy and Childhood Epigenetics (PACE) consortium, we performed meta-analysis to combine information from six population-based birth cohort studies to investigate DNA methylation at over 450,000 sites in the cord blood of newborns differentially exposed to alcohol in utero. We were primarily interested in the effects of sustained consumption throughout pregnancy (data available for five cohorts, 3,075 mother-child pairs), which represents a prolonged prenatal exposure to alcohol, but we also explored binge-drinking and timing-specific exposures. In addition to looking for differential methylation at individual CpG sites, we also used two different methods, Comb-P and DMRcate, to identify differentially methylated regions (DMRs). We found no strong evidence of association between any of our alcohol exposure measures and DNA methylation at any individual CpG site. Using Comb-P, we identified 19 DMRs in the offspring of mothers who drank throughout pregnancy compared to the offspring of mothers who gave up drinking at the start of pregnancy, but these were not validated using DMRcate. In this multi-cohort study of the general population we found no evidence that maternal alcohol consumption during pregnancy is associated with offspring cord blood DNA methylation, which is in stark contrast to the multiple, strong associations that previous studies have found for maternal smoking. However, it is possible that a combination of a larger sample size, higher doses, different timings of exposure and a more global assessment of genomic DNA methylation might show evidence of association.

Mitochondrial DNA copy number (mtDNA CN) exhibits interindividual and intercellular variation, but few genome-wide association studies (GWAS) of directly assayed mtDNA CN exist. We undertook a GWAS of qPCR-assayed mtDNA CN in the Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC), and the UK Blood Service (UKBS) cohort. After validating and harmonising data, 5461 ALSPAC mothers (16-43 years at mtDNA CN assay), and 1338 UKBS females (17-69 years) were included in a meta-analysis. Sensitivity analyses restricted to females with white cell-extracted DNA, and adjusted for estimated or assayed cell proportions. Associations were also explored in ALSPAC children, and UKBS males. A neutrophil-associated locus approached genome-wide significance (rs709591 [MED24], β[SE] -0.084 [0.016], p=1.54e-07) in the main meta-analysis of adult females. This association was concordant in magnitude and direction in UKBS males and ALSPAC neonates. SNPs in and around ABHD8 were associated with mtDNA CN in ALSPAC neonates (rs10424198, β[SE] 0.262 [0.034], p=1.40e-14), but not other study groups. In a meta-analysis of unrelated individuals (N=11253), we replicated a published association in TFAM β[SE] 0.046 [0.017], p=0.006), with an effect size much smaller than that observed in the replication analysis of a previous in silico GWAS. In a hypothesis-generating GWAS, we confirm an association between TFAM and mtDNA CN, and present putative loci requiring replication in much larger samples. We discuss the limitations of our work, in terms of measurement error and cellular heterogeneity, and highlight the need for larger studies to better understand nuclear genomic control of mtDNA copy number.