Rare coding variation has historically provided the most direct connections between gene function and disease pathogenesis. By meta-analysing the whole exomes of 24,248 schizophrenia cases and 97,322 controls, we implicate ultra-rare coding variants (URVs) in 10 genes as conferring substantial risk for schizophrenia (odds ratios of 3–50, P < 2.14 × 10−6) and 32 genes at a false discovery rate of <5%. These genes have the greatest expression in central nervous system neurons and have diverse molecular functions that include the formation, structure and function of the synapse. The associations of the NMDA (N-methyl-d-aspartate) receptor subunit GRIN2A and AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) receptor subunit GRIA3 provide support for dysfunction of the glutamatergic system as a mechanistic hypothesis in the pathogenesis of schizophrenia. We observe an overlap of rare variant risk among schizophrenia, autism spectrum disorders1, epilepsy and severe neurodevelopmental disorders2, although different mutation types are implicated in some shared genes. Most genes described here, however, are not implicated in neurodevelopment. We demonstrate that genes prioritized from common variant analyses of schizophrenia are enriched in rare variant risk3, suggesting that common and rare genetic risk factors converge at least partially on the same underlying pathogenic biological processes. Even after excluding significantly associated genes, schizophrenia cases still carry a substantial excess of URVs, which indicates that more risk genes await discovery using this approach. Whole-exome sequencing identifies ten risk genes for schizophrenia implicated by rare protein-coding variants, a subset of which overlap with risk genes in other neurodevelopmental disorders.

Exome sequencing studies in complex diseases are challenged by the allelic heterogeneity, large number and modest effect sizes of associated variants on disease risk and the presence of large numbers of neutral variants, even in phenotypically relevant genes. Isolated populations with recent bottlenecks offer advantages for studying rare variants in complex diseases as they have deleterious variants that are present at higher frequencies as well as a substantial reduction in rare neutral variation. To explore the potential of the Finnish founder population for studying low-frequency (0.5–5%) variants in complex diseases, we compared exome sequence data on 3,000 Finns to the same number of non-Finnish Europeans and discovered that, despite having fewer variable sites overall, the average Finn has more low-frequency loss-of-function variants and complete gene knockouts. We then used several well-characterized Finnish population cohorts to study the phenotypic effects of 83 enriched loss-of-function variants across 60 phenotypes in 36,262 Finns. Using a deep set of quantitative traits collected on these cohorts, we show 5 associations (p<5×10−8) including splice variants in LPA that lowered plasma lipoprotein(a) levels (P = 1.5×10−117). Through accessing the national medical records of these participants, we evaluate the LPA finding via Mendelian randomization and confirm that these splice variants confer protection from cardiovascular disease (OR = 0.84, P = 3×10−4), demonstrating for the first time the correlation between very low levels of LPA in humans with potential therapeutic implications for cardiovascular diseases. More generally, this study articulates substantial advantages for studying the role of rare variation in complex phenotypes in founder populations like the Finns and by combining a unique population genetic history with data from large population cohorts and centralized research access to National Health Registers.

Arno Palotie, Verneri Anttila and colleagues report a genome-wide association study of migraine. They identify a variant on chromosome 8q22.1 associated with risk of migraine. Migraine is a common episodic neurological disorder, typically presenting with recurrent attacks of severe headache and autonomic dysfunction. Apart from rare monogenic subtypes, no genetic or molecular markers for migraine have been convincingly established. We identified the minor allele of rs1835740 on chromosome 8q22.1 to be associated with migraine (P = 5.38 × 10−9, odds ratio = 1.23, 95% CI 1.150–1.324) in a genome-wide association study of 2,731 migraine cases ascertained from three European headache clinics and 10,747 population-matched controls. The association was replicated in 3,202 cases and 40,062 controls for an overall meta-analysis P value of 1.69 × 10−11 (odds ratio = 1.18, 95% CI 1.127–1.244). rs1835740 is located between MTDH (astrocyte elevated gene 1, also known as AEG-1) and PGCP (encoding plasma glutamate carboxypeptidase). In an expression quantitative trait study in lymphoblastoid cell lines, transcript levels of the MTDH were found to have a significant correlation to rs1835740 (P = 3.96 × 10−5, permuted threshold for genome-wide significance 7.7 × 10−5). To our knowledge, our data establish rs1835740 as the first genetic risk factor for migraine.

Abstract The contribution of de novo and ultra-rare genetic variants in severe and moderate intellectual disability (ID) has been extensively studied whereas the genetic architecture of mild ID has been less well characterized. To elucidate the genetic background of milder ID we studied a regional cohort of 442 ID patients enriched for mild ID (>50%) from a population isolate of Finland. We analyzed rare variants using exome sequencing and CNV genotyping and common variants using common variant polygenic risk scores. As controls we used a Finnish collection of exome sequenced (n=11311) and GWAS chip genotyped (n=11699) individuals. We show that rare damaging variants in genes known to be associated with cognitive defects are observed more often in severe (27%) than in mild ID (13%) patients (p-value: 7.0e-4). We further observed a significant enrichment of protein truncating variants in loss-of-function intolerant genes, as well as damaging missense variants in genes not yet associated with cognitive defects (OR: 2.1, p-value: 3e-8). For the first time to our knowledge, we show that a common variant polygenic load significantly contributes to all severity forms of ID. The heritability explained was the highest for educational attainment (EDU) in mild ID explaining 2.2% of the heritability on liability scale. For more severe ID it was lower at 0.6%. Finally, we identified a homozygote variant in the CRADD gene to be a cause of a specific syndrome with ID and pachygyria. The frequency of this variant is 50x higher in the Finnish population than in non-Finnish Europeans, demonstrating the benefits of utilizing population isolates in rare variant analysis of diseases under negative selection.

Abstract To study how the 22q11.2 deletion predisposes to psychiatric disease, we generated induced pluripotent stem cells from deletion carriers and controls, as well as utilized CRISPR/Cas9 to introduce the heterozygous deletion into a control cell line. Upon differentiation into neural progenitor cells, we found the deletion acted in trans to alter the abundance of transcripts associated with risk for neurodevelopmental disorders including Autism Spectrum Disorder. In more differentiated excitatory neurons, altered transcripts encoded presynaptic factors and were associated with genetic risk for schizophrenia, including common (per-SNP heritability p ( τ c )= 4.2 x 10 -6 ) and rare, loss of function variants (p = 1.29×10 -12 ). These findings suggest a potential relationship between cellular states, developmental windows and susceptibility to psychiatric conditions with different ages of onset. To understand how the deletion contributed to these observed changes in gene expression, we developed and applied PPItools, which identifies the minimal protein-protein interaction network that best explains an observed set of gene expression alterations. We found that many of the genes in the 22q11.2 interval interact in presynaptic, proteasome, and JUN/FOS transcriptional pathways that underlie the broader alterations in psychiatric risk gene expression we identified. Our findings suggest that the 22q11.2 deletion impacts genes and pathways that may converge with risk loci implicated by psychiatric genetic studies to influence disease manifestation in each deletion carrier.

Migraine is a debilitating neurological disorder affecting around 1 in 7 people worldwide, but its molecular mechanisms remain poorly understood. Some debate exists over whether migraine is a disease of vascular dysfunction, or a result of neuronal dysfunction with secondary vascular changes. Genome-wide association (GWA) studies have thus far identified 13 independent loci associated with migraine. To identify new susceptibility loci, we performed the largest genetic study of migraine to date, comprising 59,674 cases and 316,078 controls from 22 GWA studies. We identified 45 independent single nucleotide polymorphisms (SNPs) significantly associated with migraine risk (P < 5 x 10-8) that map to 38 distinct genomic loci, including 28 loci not previously reported and the first locus identified on chromosome X. Furthermore, a subset analysis for migraine without aura (MO) identified seven of the same loci as from the full sample, whereas no loci reached genome-wide significance in the migraine with aura (MA) subset. In subsequent computational analyzes, the identified loci showed enrichment for genes expressed in vascular and smooth muscle tissues, consistent with a predominant theory of migraine that highlights vascular etiologies.

It has long been observed that complex traits, including migraine, often aggregate in families, but the underlying genetic architecture behind this is not well understood. Two competing hypotheses exist, emphasizing either rare or common genetic variation. More specifically, familial aggregation could be predominantly explained by rare, penetrant variants that segregate according to Mendelian inheritance or rather by the sufficient polygenic accumulation of many common variants, each with an individually small effect. Some combination of both common and rare variation could also contribute towards a spectrum of disease risk. We investigated this in a collection of 8,319 individuals across 1,589 migraine families from Finland. Family members were individually diagnosed by a migraine-specific questionnaire with either migraine without aura (MO, ICHD-3 code 1.1, n=2,357), migraine with typical aura (ICHD-3 code 1.2.1, n=2,420), hemiplegic migraine (HM, ICHD-3 code 1.2.3, n=540), or no migraine (n=3,002). For comparison, we used population-based migraine cases (n=1,101) and controls (n=13,369) from the FINRISK study. The disease status of FINRISK individuals was assigned based on health registry data from outpatient clinics and/or prescription medication. All individuals were genotyped on the Illumina CoreExome or PsychArray chip platforms and imputed to a Finnish reference panel of 6,962 haplotypes. Polygenic risk scores (PRS), representing the common variant burden in each individual, were calculated using weights from the most recent large-scale genome-wide association study of migraine. To account for family structure in our analyses, we used a mixed-model approach, adjusting for the genetic relationship matrix as a random effect. We found a significantly higher common variant burden in familial cases of migraine (for all subtypes, measured by the odds ratio [OR] per standard deviation [SD] increase in PRS; OR = 1.76, 95% CI = 1.71-1.81, P = 1.7×10-109) compared to cases from a population cohort (OR = 1.32, 95% CI = 1.25-1.38, P = 7.2×10-17) when using the population controls as a reference group. The highest enrichment was observed for HM (OR = 1.96, 95% CI = 1.86-2.07, P = 8.7×10-36) and migraine with typical aura (OR = 1.85, 95% CI = 1.79-1.91, P = 1.4×10-86) but enrichment was also present for MO (OR = 1.57, 95% CI = 1.51-1.63, P = 1.1×10-48). Comparing within cases, there was no significant difference in common variant burden between the migraine with aura subtypes, HM and migraine with typical aura (OR = 1.09, 95% CI = 0.99-1.19, P = 0.09), but both showed significantly higher enrichment compared to MO (OR = 1.28, 95% CI = 1.17-1.38, P = 7.3×10-7, and OR = 1.17, 95% CI = 1.11-1.23, P = 4.62×10-5, respectively). Additionally, we found that higher common variant burden corresponded to earlier age of headache onset (OR per SD increase in PRS for 3,631 cases with onset before 20 years old compared to 1,686 cases with onset later than 20 years old; OR = 1.11, 95% CI = 1.05-1.18, P = 8.3×10-4). FINRISK population cases identified from national health registry data were found to have lower common variant burden in comparison to the familial migraine cases (OR = 1.32, 95% CI = 1.25-1.38, P = 6.8×10-17), unless the individuals had attended both a specialist clinic and also received prophylactic migraine treatment (OR = 1.70, 95% CI = 1.53-1.88, P = 3.9×10-9). Finally, although rare variants have been suggested as the primary cause for familial hemiplegic migraine (FHM), we found only four out of 45 sequenced FHM families (8.9%) with a pathogenic mutation in one of the known risk genes. In summary, our results demonstrate a substantial contribution of common polygenic variation to familial aggregation in migraine, comparable to both controls and that observed in migraine cases from a population cohort. The findings also suggest that individuals with migraine aura symptoms (either typical aura, which is mostly visual, or rare motor aura) tend to have higher common variant burden on average supporting the polygenic model also in these migraine subtypes.

Abstract Statins are thought to have positive effects on migraine but existing data are inconclusive. We aimed to evaluate the causal effect of such drugs on migraines using Mendelian randomization. We used four types of genetic instruments as proxies for HMG-CoA reductase inhibition. We included the expression quantitative trait loci of the HMG-CoA reductase gene and genetic variation within or near the HMG-CoA reductase gene region. Variants were associated with low-density lipoprotein cholesterol, apolipoprotein B, and total cholesterol. Genome-wide association study summary data for the three lipids were obtained from the UK Biobank. Comparable data for migraine were obtained from the International Headache Genetic Consortium and the FinnGen Consortium. Inverse variance weighting method was used for the primary analysis. Additional analyses included pleiotropic robust methods, colocalization, and meta-analysis. Genetically determined high expression of HMG-CoA reductase was associated with an increased risk of migraines (OR = 1.55, 95% CI 1.30–1.84, P = 6.87 × 10 −7 ). Similarly, three genetically determined HMG-CoA reductase-mediated lipids were associated with an increased risk of migraine. These conclusions were consistent across meta-analyses. We found no evidence of bias caused by pleiotropy or genetic confounding factors. These findings support the hypothesis that statins can be used to treat migraine.

There is a limited understanding about the impact of rare protein truncating variants across multiple phenotypes. We explore the impact of this class of variants on 13 quantitative traits and 10 diseases using whole-exome sequencing data from 100,296 individuals. Protein truncating variants in genes intolerant to this class of mutations increased risk of autism, schizophrenia, bipolar disorder, intellectual disability, ADHD. In individuals without these disorders, there was an association with shorter height, lower education, increased hospitalization and reduced age. Gene sets implicated from GWAS did not show a significant protein truncating variants-burden beyond what captured by established Mendelian genes. In conclusion, we provide the most thorough investigation to date of the impact of rare deleterious coding variants on complex traits, suggesting widespread pleiotropic risk.