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.

Abstract Background Epidemiological studies suggest that paternal obesity may increase the risk of fathering small for gestational age offspring. Studies in non-human mammals suggest that such associations could be mediated by DNA methylation changes in spermatozoa that influence offspring development in utero. Human obesity is associated with differential DNA methylation in peripheral blood. It is unclear, however, whether this differential DNA methylation is reflected in spermatozoa. We profiled genome-wide DNA methylation using the Illumina MethylationEPIC array in matched human blood and sperm from lean (discovery n=47; replication n=21) and obese (n=22) males to analyse tissue covariation of DNA methylation, and identify whether this covariation is influenced by obesity. Results DNA methylation signatures of human blood and spermatozoa are highly discordant, and methylation levels are correlated at only a minority of CpG sites (∼1%). While at the majority of these sites, DNA methylation appears to be influenced by genetic variation, obesity-associated DNA methylation in blood was not generally reflected in spermatozoa, and obesity did not influence covariation patterns. However, one cross-tissue obesity-specific hypermethylated site (cg19357369; chr4:2429884; P =8.95 × 10 −8 ; beta=0.02) was identified, warranting replication and further investigation. When compared to a wide range of human somatic tissue samples (n=5,917), spermatozoa displayed differential DNA methylation in pathways enriched in transcriptional regulation. Conclusions Human sperm displays a unique DNA methylation profile that is highly discordant to, and practically uncorrelated with, that of matched peripheral blood. Obesity only nominally influences sperm DNA methylation, making it an unlikely mediator of intergenerational effects of metabolic traits.

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 Erythropoiesis requires a combination of ubiquitous and tissue-specific transcription factors. Here, through DNA affinity purification followed by mass spectrometry, we have identified the widely expressed protein MAZ (Myc-associated zinc finger) as a transcription factor that binds to the promoter of the erythroid-specific human α-globin gene. Genome-wide mapping in primary human erythroid cells revealed that MAZ also occupies active promoters as well as GATA1-bound enhancer elements of key erythroid genes. Consistent with an important role during erythropoiesis, knockdown of MAZ in primary human erythroid cells impairs erythroid differentiation, and genetic variants in the MAZ locus are associated with clinically important human erythroid traits. Taken together, these findings reveal the Zinc-finger transcription factor MAZ to be a previously unrecognised regulator of the erythroid differentiation program.

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.