SUMMARY Body mass results from a complex interplay between genetics and environment. The contribution of genetic variation to body mass has been extensively studied, but due to the technical limitations of platforms used for population scale studies, repetitive parts of the genome have not previously been considered. Here we applied genome-wide approaches to identify an association between adult body mass and the copy number (CN) of 45S-ribosomal DNA (rDNA). rDNA codes for the rRNA components of the ribosome and exists in hundreds of copies/cell in mammals. Inter-individual variation in rDNA CN has not previously been documented but has not been associated with a mammalian phenotype. Here, we show that germ-line inherited rDNA CN is associated with post-pubertal growth rate in rats and BMI in adult humans. rDNA CN variation is not associated with rRNA transcription rates in adult tissues, suggesting the mechanistic link occurs earlier in development. This is supported by our observation that it is growth rate and body mass, rather than obesity that are associated with copy number and that these phenotypes emerge prior to adulthood. We present hypotheses for future investigation into the mechanistic basis of this association.

Body mass results from a complex interplay between genetics and environment. Previous studies of the genetic contribution to body mass have excluded repetitive regions due to the technical limitations of platforms used for population scale studies. Here we apply genome-wide approaches, identifying an association between adult body mass and the copy number (CN) of 47S-ribosomal DNA (rDNA). rDNA codes for the 18 S, 5.8 S and 28 S ribosomal RNA (rRNA) components of the ribosome. In mammals, there are hundreds of copies of these genes. Inter-individual variation in the rDNA CN has not previously been associated with a mammalian phenotype. Here, we show that rDNA CN variation associates with post-pubertal growth rate in rats and body mass index in adult humans. rDNA CN is not associated with rRNA transcription rates in adult tissues, suggesting the mechanistic link occurs earlier in development. This aligns with the observation that the association emerges by early adulthood.

Abstract Background Ribosomal DNA (rDNA) displays substantial inter-individual genetic variation in human and mouse. A systematic analysis of how this variation impacts epigenetic states and expression of the rDNA has thus far not been performed. Results Using a combination of long- and short-read sequencing, we establish that 45S rDNA units in the C57BL/6J mouse strain exist as distinct genetic haplotypes that influence the epigenetic state and transcriptional output of any given unit. DNA methylation dynamics at these haplotypes are dichotomous and life-stage specific: at one haplotype, the DNA methylation state is sensitive to the in utero environment, but refractory to post-weaning influences, whereas other haplotypes entropically gain DNA methylation during ageing only. On the other hand, individual rDNA units in human show limited evidence of genetic haplotypes, and hence little discernible correlation between genetic and epigenetic states. However, in both species, adjacent units show similar epigenetic profiles, and the overall epigenetic state at rDNA is strongly positively correlated with total rDNA copy number. Analysis of different mouse inbred strains reveals that in some strains, such as 129S1/SvImJ, rDNA copy number is only approximately 150 copies per diploid genome and DNA methylation levels are <5%. Conclusions Our work demonstrates that rDNA-associated genetic variation has a considerable influence on rDNA epigenetic state and consequently rRNA expression outcomes. In the future, it will be important to consider the impact of inter-individual rDNA (epi)genetic variation on mammalian phenotypes and diseases.