DNA methylation (DNAm) plays diverse roles in human biology, but this dynamic epigenetic mark remains far from fully characterized. Although earlier studies uncovered loci that undergo age-associated DNAm changes in adults, little is known about such changes during childhood. Despite profound DNAm plasticity during embryogenesis, monozygotic twins show indistinguishable childhood methylation, suggesting that DNAm is highly coordinated throughout early development. Here we examine the methylation of 27,578 CpG dinucleotides in peripheral blood DNA from a cross-sectional study of 398 boys, aged 3–17 yr, and find significant age-associated changes in DNAm at 2078 loci. These findings correspond well with pyrosequencing data and replicate in a second pediatric population ( N = 78). Moreover, we report a deficit of age-related loci on the X chromosome, a preference for specific nucleotides immediately surrounding the interrogated CpG dinucleotide, and a primary association with developmental and immune ontological functions. Meta-analysis ( N = 1158) with two adult populations reveals that despite a significant overlap of age-associated loci, most methylation changes do not follow a lifelong linear pattern due to a threefold to fourfold higher rate of change in children compared with adults; consequently, the vast majority of changes are more accurately modeled as a function of logarithmic age. We therefore conclude that age-related DNAm changes in peripheral blood occur more rapidly during childhood and are imperfectly accounted for by statistical corrections that are linear in age, further suggesting that future DNAm studies should be matched closely for age.

Abstract Recent advances in the genetics of schizophrenia (SCZ) have identified rare variants that confer high disease risk, including a 1.6 Mb deletion at chromosome 3q29 with a staggeringly large effect size (O.R. > 40). Understanding the impact of the 3q29 deletion (3q29Del) on the developing CNS may therefore lead to insights about the pathobiology of schizophrenia. To gain clues about the molecular and cellular perturbations caused by the 3q29 deletion, we interrogated transcriptomic effects in two experimental model systems with complementary advantages: isogenic human forebrain cortical organoids and isocortex from the 3q29Del mouse model. We first created isogenic lines by engineering the full 3q29Del into an induced pluripotent stem cell line from a neurotypical individual. We profiled transcriptomes from isogenic cortical organoids that were aged for 2 months and 12 months, as well as day p7 perinatal mouse isocortex, all at single cell resolution. Differential expression analysis by genotype in each cell-type cluster revealed that more than half of the differentially expressed genes identified in mouse cortex were also differentially expressed in human cortical organoids, and strong correlations were observed in mouse-human differential gene expression across most major cell-types. We systematically filtered differentially expressed genes to identify changes occurring in both model systems. Pathway analysis on this filtered gene set implicated dysregulation of mitochondrial function and energy metabolism, although the direction of the effect was dependent on developmental timepoint. Transcriptomic changes were validated at the protein level by analysis of oxidative phosphorylation protein complexes in mouse brain tissue. Assays of mitochondrial function in human heterologous cells further confirmed robust mitochondrial dysregulation in 3q29Del cells, and these effects are partially recapitulated by ablation of the 3q29Del gene PAK2 . Taken together these data indicate that metabolic disruption is associated with 3q29Del and is conserved across species. These results converge with data from other rare SCZ-associated variants as well as idiopathic schizophrenia, suggesting that mitochondrial dysfunction may be a significant but overlooked contributing factor to the development of psychotic disorders. This cross-species scRNA-seq analysis of the SCZ-associated 3q29 deletion reveals that this copy number variant may produce early and persistent changes in cellular metabolism that are relevant to human neurodevelopment.

Background: Several reports have suggested a role for epigenetic mechanisms in ASD etiology. Epigenome-wide association studies (EWAS) in autism spectrum disorder (ASD) may shed light on particular biological mechanisms. However, studies of ASD cases versus controls have been limited by post-mortem timing and severely small sample sizes. Reports from in-life sampling of blood or saliva have also been very limited in sample size, and/or genomic coverage. We present the largest case-control EWAS for ASD to date, combining data from population-based case-control and case-sibling pair studies. Methods: DNA from 968 blood samples from children in the Study to Explore Early Development (SEED 1) was used to generate epigenome-wide array DNA methylation (DNAm) data at 485,512 CpG sites for 453 cases and 515 controls, using the Illumina 450K Beadchip. The Simons Simplex Collection (SSC) provided 450K array DNAm data on an additional 343 cases and their unaffected siblings. We performed EWAS meta-analysis across results from the two data sets, with adjustment for sex and surrogate variables that reflect major sources of biological variation and technical confounding such as cell type, batch, and ancestry. We compared top EWAS results to those from a previous brain-based analysis. We also tested for enrichment of ASD EWAS CpGs for being targets of meQTL associations using available SNP genotype data in the SEED sample. Findings: In this meta-analysis of blood-based DNA from 796 cases and 858 controls, no single CpG met a Bonferroni discovery threshold of p < 1.12x10-7. Seven CpGs showed differences at p < 1x10-5 and 48 at 1x10-4. Of the top 7, 5 showed brain-based ASD associations as well, often with larger effect sizes, and the top 48 overall showed modest concordance (r = 0.31) in direction of effect with cerebellum samples. Finally, we observed suggestive evidence for enrichment of CpG sites controlled by SNPs (meQTL targets) among the EWAS CpGs hits, which was consistent across EWAS and meQTL discovery p-value thresholds. Conclusions: We report the largest case-control EWAS study of ASD to date. No single CpG site showed a large enough DNAm difference between cases and controls to achieve epigenome-wide significance in this sample size. However, our results suggest the potential to observe disease associations from blood-based samples. Among the 7 sites achieving suggestive statistical significance, we observed consistent, and stronger, effects at the same sites among brain samples. Discovery-oriented EWAS for ASD using blood samples will likely need even larger samples and unified genetic data to further understand DNAm differences in ASD.

Orofacial clefts (OFCs) are one of the most common birth defects worldwide and create a significant health burden. The majority of OFCs are non-syndromic, and the genetic component has been only partially determined. Here, we analyze whole genome sequence (WGS) data for association with risk of OFCs in European and Colombian families selected from a multicenter family-based OFC study. Part of the Gabriella Miller Kids First Pediatric Research Program, this is the first large-scale WGS study of OFC in parent-offspring trios. WGS provides deeper and more specific genetic data than currently available using imputation on single nucleotide polymorphic (SNP) marker panels. Here, association analysis of genome-wide single nucleotide variants (SNV) and short insertions and deletions (indels) identified a new locus on chromosome 21 in Colombian families, within a region known to be expressed during craniofacial development. This study reinforces the ancestry differences seen in the genetic etiology of OFCs, and the need for larger samples when for studying OFCs and other birth defects in admixed populations.

The analysis of human whole-genome sequencing data presents significant computational challenges. The sheer size of datasets places an enormous burden on computational, disk array, and network resources. Here we present an integrated computational package, PEMapper/PECaller, that was designed specifically to minimize the burden on networks and disk arrays, create output files that are minimal in size, and run in a highly computationally efficient way, with the single goal of enabling whole-genome sequencing at scale. In addition to improved computational efficiency, we implement a novel statistical framework that allows for a base-by-base error model, allowing this package to perform as well or better than the widely used Genome Analysis Toolkit (GATK) in all key measures of performance on human whole-genome sequences.

While de novo mutations (DNMs) are known to increase risk of congenital defects, DNMs have not been fully explored regarding orofacial clefts (OFCs), one of the most common human birth defects. Therefore, whole-genome sequencing of 756 case-parent trios of European, Colombian, and Taiwanese ancestry was performed to determine the contributions of coding DNMs to OFC risk. Overall, we identified a significant excess of loss-of-function DNMs in genes highly expressed in craniofacial tissues, as well as genes associated with known autosomal dominant OFC syndromes. This analysis also revealed roles for zinc-finger homeobox domain and SOX2-interacting genes in OFC etiology.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.