We report on the influence of ~22 million variants on 731 immune cell traits in a cohort of 3,757 Sardinians. We detected 122 significant (P < 1.28 × 10-11) independent association signals for 459 cell traits at 70 loci (53 of them novel) identifying several molecules and mechanisms involved in cell regulation. Furthermore, 53 signals at 36 loci overlapped with previously reported disease-associated signals, predominantly for autoimmune disorders, highlighting intermediate phenotypes in pathogenesis. Collectively, our findings illustrate complex genetic regulation of immune cells with highly selective effects on autoimmune disease risk at the cell-subtype level. These results identify drug-targetable pathways informing the design of more specific treatments for autoimmune diseases.

Abstract The timing of puberty is a highly polygenic childhood trait that is epidemiologically associated with various adult diseases. Here, we analyse 1000-Genome reference panel imputed genotype data on up to ~370,000 women and identify 389 independent signals (all P<5×10 −8 ) for age at menarche, a notable milestone in female pubertal development. In Icelandic data from deCODE, these signals explain ~7.4% of the population variance in age at menarche, corresponding to one quarter of the estimated heritability. We implicate over 250 genes via coding variation or associated gene expression, and demonstrate enrichment across genes active in neural tissues. We identify multiple rare variants near the imprinted genes MKRN3 and DLK1 that exhibit large effects on menarche only when paternally inherited. Disproportionate effects of variants on early or late puberty timing are observed: single variant and heritability estimates are larger for early than late puberty timing in females. The opposite pattern is seen in males, with larger estimates for late than early puberty timing. Mendelian randomization analyses indicate causal inverse associations, independent of BMI, between puberty timing and risks for breast and endometrial cancers in women, and prostate cancer in men. In aggregate, our findings reveal new complexity in the genetic regulation of puberty timing and support new causal links with adult cancer risks.

Identifying functional non-coding variants can enhance genome interpretation and inform novel genetic risk factors. We used whole genomes and peripheral white blood cell transcriptomes from 624 Sardinian individuals to identify non-coding variants that contribute to population, family, and individual differences in transcript abundance. We identified 21,183 independent expression quantitative trait loci (eQTLs) and 6,768 independent splicing quantitative trait loci (sQTLs) influencing 73 and 41% of all tested genes. When we compared Sardinian eQTLs to those previously identified in Europe, we identified differentiated eQTLs at genes involved in malarial resistance and multiple sclerosis, reflecting the long-term epidemiological history of the island's population. Taking advantage of pedigree data for the population sample, we identify segregating patterns of outlier gene expression and allelic imbalance in 61 Sardinian trios. We identified 809 expression outliers (median z-score of 2.97) averaging 13.3 genes with outlier expression per individual. We then connected these outlier expression events to rare non-coding variants. Our results provide new insight into the effects of non-coding variants and their relationship to population history, traits and individual genetic risk.

The population of the Mediterranean island of Sardinia has made important contributions to genome-wide association studies of traits and diseases. The history of the Sardinian population has also been the focus of much research, and in recent ancient DNA (aDNA) studies, Sardinia has provided unique insight into the peopling of Europe and the spread of agriculture. In this study, we analyze whole-genome sequences of 3,514 Sardinians to address hypotheses regarding the founding of Sardinia and its relation to the peopling of Europe, including examining fine-scale substructure, population size history, and signals of admixture. We find the population of the mountainous Gennargentu region shows elevated genetic isolation with higher levels of ancestry associated with mainland Neolithic farmers and depleted ancestry associated with more recent Bronze Age Steppe migrations on the mainland. Notably, the Gennargentu region also has elevated levels of pre-Neolithic hunter-gatherer ancestry and increased affinity to Basque populations. Further, allele sharing with pre-Neolithic and Neolithic mainland populations is larger on the X chromosome compared to the autosome, providing evidence for a sex-biased demographic history in Sardinia. These results give new insight to the demography of ancestral Sardinians and help further the understanding of sharing of disease risk alleles between Sardinia and mainland populations.

Genome-wide association studies have had great success in identifying human genetic variants associated with disease, disease risk factors, and other biomedical phenotypes. Many variants are associated with multiple traits, even after correction for trait-trait correlation. Discovering subsets of variants associated with a shared subset of phenotypes could help reveal disease mechanisms, suggest new therapeutic options, and increase the power to detect additional variants with similar pattern of associations. Here we introduce two methods based on a Bayesian framework, SNP And Pleiotropic PHenotype Organization (SAPPHO), one modeling independent phenotypes (SAPPHO-I) and the other incorporating a full phenotype covariance structure (SAPPHO-C). These two methods learn patterns of pleiotropy from genotype and phenotype data, using identified associations to discover additional associations with shared patterns. The SAPPHO methods, along with other recent approaches for pleiotropic association tests, were assessed using data from the Atherosclerotic Risk in Communities (ARIC) study of 8,000 individuals, whose gold-standard associations were provided by meta-analysis of 40,000 to 100,000 individuals from the CHARGE consortium. Using power to detect gold-standard associations at genome-wide significance (0.05 family-wise error rate) as a metric, SAPPHO performed best. The SAPPHO methods were also uniquely able to select the most significant variants in a parsimonious model, excluding other less likely variants within a linkage disequilibrium block. For meta-analysis, the SAPPHO methods implement summary modes that use sufficient statistics rather than full phenotype and genotype data. Meta-analysis applied to CHARGE detected 16 additional associations to the gold-standard loci, as well as 124 novel loci, at 0.05 false discovery rate. Reasons for the superior performance were explored by performing simulations over a range of scenarios describing different genetic architectures. With SAPPHO we were able to learn genetic structures that were hidden using the traditional univariate tests.

Usher syndrome (USH) encompasses a group of disorders characterized by congenital sensorineural hearing loss (SNHL) and retinitis pigmentosa (RP). We described the clinical findings, natural history, and molecular analyses of USH patients identified during a large-scale screening to identify quantitative traits related to ocular disorders in the SardiNIA project cohort.

Electrocardiographic PR interval measures atrial and atrioventricular depolarization and conduction, and abnormal PR interval is a risk factor for atrial fibrillation and heart block. We performed a genome-wide association study in over 92,000 individuals of European descent and identified 44 loci associated with PR interval (34 novel). Examination of the 44 loci revealed known and novel biological processes involved in cardiac atrial electrical activity, and genes in these loci were highly over-represented in several cardiac disease processes. Nearly half of the 61 independent index variants in the 44 loci were associated with atrial or blood transcript expression levels, or were in high linkage disequilibrium with one or more missense variants. Cardiac regulatory regions of the genome as measured by cardiac DNA hypersensitivity sites were enriched for variants associated with PR interval, compared to non-cardiac regulatory regions. Joint analyses combining PR interval with heart rate, QRS interval, and atrial fibrillation identified additional new pleiotropic loci. The majority of associations discovered in European-descent populations were also present in African-American populations. Meta-analysis examining over 105,000 individuals of African and European descent identified additional novel PR loci. These additional analyses identified another 13 novel loci. Together, these findings underscore the power of GWAS to extend knowledge of the molecular underpinnings of clinical processes.