So far, two genes associated with familial melanoma have been identified, accounting for a minority of genetic risk in families. Mutations in CDKN2A account for approximately 40% of familial cases, and predisposing mutations in CDK4 have been reported in a very small number of melanoma kindreds. Here we report the whole-genome sequencing of probands from several melanoma families, which we performed in order to identify other genes associated with familial melanoma. We identify one individual carrying a novel germline variant (coding DNA sequence c.G1075A; protein sequence p.E318K; rs149617956) in the melanoma-lineage-specific oncogene microphthalmia-associated transcription factor (MITF). Although the variant co-segregated with melanoma in some but not all cases in the family, linkage analysis of 31 families subsequently identified to carry the variant generated a log of odds (lod) score of 2.7 under a dominant model, indicating E318K as a possible intermediate risk variant. Consistent with this, the E318K variant was significantly associated with melanoma in a large Australian case-control sample. Likewise, it was similarly associated in an independent case-control sample from the United Kingdom. In the Australian sample, the variant allele was significantly over-represented in cases with a family history of melanoma, multiple primary melanomas, or both. The variant allele was also associated with increased naevus count and non-blue eye colour. Functional analysis of E318K showed that MITF encoded by the variant allele had impaired sumoylation and differentially regulated several MITF targets. These data indicate that MITF is a melanoma-predisposition gene and highlight the utility of whole-genome sequencing to identify novel rare variants associated with disease susceptibility.

Importance

 The causal direction and magnitude of the association between telomere length and incidence of cancer and non-neoplastic diseases is uncertain owing to the susceptibility of observational studies to confounding and reverse causation. 

Objective

 To conduct a Mendelian randomization study, using germline genetic variants as instrumental variables, to appraise the causal relevance of telomere length for risk of cancer and non-neoplastic diseases. 

Data Sources

 Genomewide association studies (GWAS) published up to January 15, 2015. 

Study Selection

 GWAS of noncommunicable diseases that assayed germline genetic variation and did not select cohort or control participants on the basis of preexisting diseases. Of 163 GWAS of noncommunicable diseases identified, summary data from 103 were available. 

Data Extraction and Synthesis

 Summary association statistics for single nucleotide polymorphisms (SNPs) that are strongly associated with telomere length in the general population. 

Main Outcomes and Measures

 Odds ratios (ORs) and 95% confidence intervals (CIs) for disease per standard deviation (SD) higher telomere length due to germline genetic variation. 

Results

 Summary data were available for 35 cancers and 48 non-neoplastic diseases, corresponding to 420 081 cases (median cases, 2526 per disease) and 1 093 105 controls (median, 6789 per disease). Increased telomere length due to germline genetic variation was generally associated with increased risk for site-specific cancers. The strongest associations (ORs [95% CIs] per 1-SD change in genetically increased telomere length) were observed for glioma, 5.27 (3.15-8.81); serous low-malignant-potential ovarian cancer, 4.35 (2.39-7.94); lung adenocarcinoma, 3.19 (2.40-4.22); neuroblastoma, 2.98 (1.92-4.62); bladder cancer, 2.19 (1.32-3.66); melanoma, 1.87 (1.55-2.26); testicular cancer, 1.76 (1.02-3.04); kidney cancer, 1.55 (1.08-2.23); and endometrial cancer, 1.31 (1.07-1.61). Associations were stronger for rarer cancers and at tissue sites with lower rates of stem cell division. There was generally little evidence of association between genetically increased telomere length and risk of psychiatric, autoimmune, inflammatory, diabetic, and other non-neoplastic diseases, except for coronary heart disease (OR, 0.78 [95% CI, 0.67-0.90]), abdominal aortic aneurysm (OR, 0.63 [95% CI, 0.49-0.81]), celiac disease (OR, 0.42 [95% CI, 0.28-0.61]) and interstitial lung disease (OR, 0.09 [95% CI, 0.05-0.15]). 

Conclusions and Relevance

 It is likely that longer telomeres increase risk for several cancers but reduce risk for some non-neoplastic diseases, including cardiovascular diseases.

Glaucoma, a disease characterized by progressive optic nerve degeneration, can be prevented through timely diagnosis and treatment. We characterize optic nerve photographs of 67,040 UK Biobank participants and use a multitrait genetic model to identify risk loci for glaucoma. A glaucoma polygenic risk score (PRS) enables effective risk stratification in unselected glaucoma cases and modifies penetrance of the MYOC variant encoding p.Gln368Ter, the most common glaucoma-associated myocilin variant. In the unselected glaucoma population, individuals in the top PRS decile reach an absolute risk for glaucoma 10 years earlier than the bottom decile and are at 15-fold increased risk of developing advanced glaucoma (top 10% versus remaining 90%, odds ratio = 4.20). The PRS predicts glaucoma progression in prospectively monitored, early manifest glaucoma cases (P = 0.004) and surgical intervention in advanced disease (P = 3.6 × 10−6). This glaucoma PRS will facilitate the development of a personalized approach for earlier treatment of high-risk individuals, with less intensive monitoring and treatment being possible for lower-risk groups. Multitrait genome-wide analysis of glaucoma and related phenotypes identifies new risk loci and enables development of a polygenic risk score to predict disease susceptibility and key clinical outcomes.

Abstract While expression quantitative trait loci (eQTL) have been powerful in identifying susceptibility genes from genome-wide association studies (GWAS) findings, most trait-associated loci are not explained by eQTL alone. Alternative QTLs including DNA methylation QTL (meQTL) are emerging, but cell-type-specific meQTL using cells of disease origin has been lacking. Here we established an meQTL dataset using primary melanocytes from 106 individuals and identified 1,497,502 significant cis -meQTLs. Multi-QTL colocalization using meQTL, eQTL, and mRNA splice-junction QTL from the same individuals together with imputed methylome-wide and transcriptome-wide association studies identified susceptibility genes at 63% of melanoma GWAS loci. Among three molecular QTLs, meQTLs were the single largest contributor. To compare melanocyte meQTLs with those from malignant melanomas, we performed meQTL analysis on skin cutaneous melanomas from The Cancer Genome Atlas (n = 444). A substantial proportion of meQTL probes (45.9%) in primary melanocytes are preserved in melanomas, while a smaller fraction of eQTL genes is preserved (12.7%). Integration of melanocyte multi-QTL and melanoma meQTL identified candidate susceptibility genes at 72% of melanoma GWAS loci. Beyond GWAS annotation, meQTL-eQTL colocalization in melanocytes suggested that 841 unique genes potentially share a causal variant with a nearby methylation probe in melanocytes. Finally, melanocyte trans -meQTL identified a hotspot for rs12203592, a cis -eQTL of a transcription factor, IRF4, with 131 candidate target CpGs. Motif enrichment and IRF4 ChIPseq analysis demonstrated that these target CpGs are enriched in IRF4 binding sites, suggesting an IRF4-mediated regulatory network. Our study highlights the utility of cell-type-specific meQTL.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified ~20 melanoma susceptibility loci. To identify susceptibility genes and variants simultaneously from multiple GWAS loci, we integrated massively-parallel reporter assays (MPRA) with cell type-specific epigenomic data as well as melanocyte-specific expression quantitative trait loci (eQTL) profiling. Starting from 16 melanoma loci, we selected 832 variants overlapping active regions of chromatin in cells of melanocytic lineage and identified 39 candidate functional variants displaying allelic transcriptional activity by MPRA. For four of these loci, we further identified four colocalizing melanocyte cis -eQTL genes ( CTSS , CASP8 , MX2 , and MAFF ) matching the allelic activity of MPRA functional variants. Among these, we further characterized the locus encompassing the HIV-1 restriction gene, MX2 , on chromosome band Chr21q22.3 and validated a functional variant, rs398206, among multiple high LD variants. rs398206 mediates allelic transcriptional activity via binding of the transcription factor, YY1. This allelic transcriptional regulation is consistent with a significant cis -eQTL of MX2 in primary human melanocytes, where the melanoma risk-associated A allele of rs398206 is correlated with higher MX2 levels. Melanocyte-specific transgenic expression of human MX2 in a zebrafish model demonstrated accelerated melanoma formation in a BRAF V600E background. Thus, using an efficient scalable approach to streamline GWAS follow-up functional studies, we identified multiple candidate melanoma susceptibility genes and variants, and uncovered a pleiotropic function of MX2 in melanoma susceptibility.

The total number of acquired melanocytic nevi on the skin is strongly correlated with melanoma risk. Here we report a meta-analysis of 11 nevus GWAS from Australia, Netherlands, United Kingdom, and United States, comprising a total of 52,506 phenotyped individuals. We confirm known loci including MTAP, PLA2G6, and IRF4, and detect novel SNPs at a genome-wide level of significance in KITLG, DOCK8, and a broad region of 9q32. In a bivariate analysis combining the nevus results with those from a recent melanoma GWAS meta-analysis (12,874 cases, 23,203 controls), SNPs near GPRC5A, CYP1B1, PPARGC1B, HDAC4, FAM208B and SYNE2 reached global significance, and other loci, including MIR146A and OBFC1, reached a suggestive level of significance. Overall, we conclude that most nevus genes affect melanoma risk (KITLG an exception), while many melanoma risk loci do not alter nevus count. For example, variants in TERC and OBFC1 affect both traits, but other telomere length maintenance genes seem to affect melanoma risk only. Our findings implicate multiple pathways in nevogenesis via genes we can show to be expressed under control of the MITF melanocytic cell lineage regulator.

Most expression quantitative trait loci (eQTL) studies to date have been performed in heterogeneous tissues as opposed to specific cell types. To better understand the cell-type specific regulatory landscape of human melanocytes, which give rise to melanoma but account for <5% of typical human skin biopsies, we performed an eQTL analysis in primary melanocyte cultures from 106 newborn males. We identified 597,335 cis-eQTL SNPs prior to LD-pruning and 4,997 eGenes (FDR<0.05), which are higher numbers than in any GTEx tissue type with a similar sample size. Melanocyte eQTLs differed considerably from those identified in the 44 GTEx tissues, including skin. Over a third of melanocyte eGenes, including key genes in melanin synthesis pathways, were not observed to be eGenes in two types of GTEx skin tissues or TCGA melanoma samples. The melanocyte dataset also identified cell-type specific trans-eQTLs with a pigmentation-associated SNP for four genes, likely through its cis-regulation of IRF4, encoding a transcription factor implicated in human pigmentation phenotypes. Melanocyte eQTLs are enriched in cis-regulatory signatures found in melanocytes as well as melanoma-associated variants identified through genome-wide association studies (GWAS). Co-localization of melanoma GWAS variants and eQTLs from melanocyte and skin eQTL datasets identified candidate melanoma susceptibility genes for six known GWAS loci including unique genes identified by the melanocyte dataset. Further, a transcriptome-wide association study using published melanoma GWAS data uncovered four new loci, where imputed expression levels of five genes (ZFP90, HEBP1, MSC, CBWD1, and RP11-383H13.1) were associated with melanoma at genome-wide significant P-values. Our data highlight the utility of lineage-specific eQTL resources for annotating GWAS findings and present a robust database for genomic research of melanoma risk and melanocyte biology.

Abstract Genome-wide association studies have identified a melanoma-associated locus on chromosome band 7p21.1 with rs117132860 as the lead SNP, and a secondary independent signal marked by rs73069846. rs117132860 is also associated with tanning ability and cutaneous squamous cell carcinoma (cSCC). As ultraviolet radiation (UVR) is a key environmental exposure for all three traits, we investigated the mechanisms by which this locus contributes to melanoma risk, focusing on cellular response to UVR. Fine-mapping of melanoma GWAS identified four independent sets of candidate causal variants. A GWAS region-focused Capture-C study of primary melanocytes identified physical interactions between two causal sets and the promoter of the aryl hydrocarbon receptor gene ( AHR ). Subsequent chromatin state annotation, eQTL, and luciferase assays identified rs117132860 as a functional variant and reinforced AHR as a likely causal gene. As AHR plays critical roles in cellular response to dioxin and UVR, we explored links between this SNP and AHR expression after both 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) and ultraviolet B (UVB) exposure. Allele-specific AHR binding to rs117132860-G was enhanced following both, consistent with predicted weakened AHR binding to the risk/poor-tanning rs117132860-A allele, and allele-preferential AHR expression driven from the protective rs117132860-G allele was observed following UVB exposure. Small deletions surrounding rs117132860 via CRISPR abrogates AHR binding, reduces melanocyte cell growth, and prolongs growth arrest following UVB exposure. These data suggest AHR is a melanoma susceptibility gene at the 7p21.1 risk locus, and rs117132860 is a functional variant within a UVB-responsive element, leading to allelic AHR expression, and altering melanocyte growth phenotypes upon exposure.

We analyzed summary-level data from genome-wide association studies (GWAS) of European ancestry across fourteen cancer sites to estimate the number of common susceptibility variants (polygenicity) contributing to risk, as well as the distribution of their associated effect sizes. All cancers evaluated showed polygenicity, involving at a minimum thousands of independent susceptibility variants. For some malignancies, particularly chronic lymphoid leukemia (CLL) and testicular cancer, susceptibility variants have a larger proportion of variants with larger effect sizes than those for other cancers. In contrast, most variants for lung and breast cancers have very small associated effect sizes. We estimate a wide range of GWAS sample sizes for different cancer sites required to explain 80% of GWAS heritability, varying from 60,000 cases for CLL to over 1,000,000 cases for lung cancer. The maximum relative risk achievable for subjects at the 99th risk percentile of underlying polygenic risk-scores, compared to average risk, ranges from 12 for testicular to 2.5 for ovarian cancer. We show that polygenic risk scores have substantial potential for risk stratification for relatively common cancers such as breast, prostate and colon, but limited potential for other cancer sites because of modest heritability and lower disease incidence.

Melanoma develops as the result of complex interactions between sun exposure and genetic factors. Data on the relationship between sunlight and melanoma from prospective studies are scant, and the combination of ultraviolet exposure data collected before melanoma diagnosis and genetic information is rarer still. We aimed to quantify the association between ambient and personal UV exposure in relation to risk of incident melanoma (invasive; invasive+in situ) in a large population-based prospective study of men and women (n=38,833) residing in a high ambient UV setting, and to examine potential gene-environment interactions. During a median follow-up time of 4.4 years, 782 (1.5%) participants developed cutaneous melanoma (316 invasive, 466 in situ). Country of birth, age at migration and sunburns during all periods of life were significantly associated with melanoma risk. Histories of keratinocyte cancer and of other actinic lesions were both strongly associated with melanoma risk. An interaction with polygenic risk is possible; among people at low risk, markers of cumulative sun exposure were associated with melanoma. In contrast, among people at high polygenic risk, markers of high-level early life ambient exposure were associated with melanoma. Polygenic risk scores can assist in identifying individuals for whom sunlight exposure is most relevant.