Osteoporosis is a common aging-related disease diagnosed primarily using bone mineral density (BMD). We assessed genetic determinants of BMD as estimated by heel quantitative ultrasound in 426,824 individuals, identifying 518 genome-wide significant loci (301 novel), explaining 20% of its variance. We identified 13 bone fracture loci, all associated with estimated BMD (eBMD), in ~1.2 million individuals. We then identified target genes enriched for genes known to influence bone density and strength (maximum odds ratio (OR) = 58, P = 1 × 10−75) from cell-specific features, including chromatin conformation and accessible chromatin sites. We next performed rapid-throughput skeletal phenotyping of 126 knockout mice with disruptions in predicted target genes and found an increased abnormal skeletal phenotype frequency compared to 526 unselected lines (P < 0.0001). In-depth analysis of one gene, DAAM2, showed a disproportionate decrease in bone strength relative to mineralization. This genetic atlas provides evidence linking associated SNPs to causal genes, offers new insight into osteoporosis pathophysiology, and highlights opportunities for drug development. Genome-wide association analyses identify 301 new loci influencing bone mineral density and 13 loci influencing fracture risk. Integrative analyses of epigenomic data and mouse knockout phenotypes provide additional insights into osteoporosis pathophysiology.

Secondary metastases, accounting for 90 % of cancer-related deaths, pose a formidable challenge in cancer treatment, with bone being a prevalent site. Importantly, tumours may relapse, often in the skeleton even after successful eradication of the primary tumour, indicating that tumour cells may lay dormant within bone for extended periods of time. This review summarises recent findings in the mechanisms underlying tumour cell dormancy and the role of bone cells in this process. Hematopoietic stem cell (HSC) niches in bone provide a model for understanding regulatory microenvironments. Dormant tumour cells have been shown to exploit similar niches, with evidence suggesting interactions with osteoblast-lineage cells and other stromal cells via CXCL12-CXCR4, integrins, and TAM receptor signalling, especially through GAS6-AXL, led to dormancy, with exit of dormancy potentially regulated by osteoclastic bone resorption and neuronal signalling. A comprehensive understanding of dormant tumour cell niches and their regulatory mechanisms is essential for developing targeted therapies, a critical step towards eradicating metastatic tumours and stopping disease relapse.

Abstract Cell fate is commonly studied by profiling the gene expression of single cells to infer developmental trajectories based on expression similarity, RNA velocity, or statistical mechanical properties. However, current approaches do not recover microenvironmental signals from the cellular niche that drive a differentiation trajectory. We resolve this with environment-aware trajectory inference (ENTRAIN), a computational method that integrates trajectory inference methods with ligand-receptor pair gene regulatory networks to identify extracellular signals and evaluate their relative contribution towards a differentiation trajectory. The output from ENTRAIN can be superimposed on spatial data to co-localize cells and molecules in space and time to map cell fate potentials to cell-cell interactions. We validate and benchmark our approach on single-cell bone marrow and spatially resolved embryonic neurogenesis datasets to identify known and novel environmental drivers of cellular differentiation. ENTRAIN is available as a public package at https://github.com/theimagelab/entrain and can be used on both single-cell and spatially resolved datasets.

Osteocytes are master regulators of the skeleton. We map the transcriptome of osteocytes at different skeletal sites, across age and sexes in mice to reveal genes and molecular programs that control this complex cell-network. We define an osteocyte transcriptome signature, 1239 genes that distinguishes osteocytes from other cells. 77% have no known role in the skeleton. We show they are enriched for genes controlling neuronal network formation, suggesting this program is important in the osteocyte network. We evaluated 19 skeletal parameters in 733 mouse lines with functional-gene-deletions and reveal 26 osteocyte transcriptome signature genes that control bone structure and function. We showed osteocyte transcriptome signature genes are enriched for human homologues that cause monogenic skeletal dysplasias (P=6x10-17), and associated with polygenic diseases, osteoporosis (P=1.8x10-13), and osteoarthritis (P=2.6x10-6). This reveals the molecular landscape that regulates osteocyte network formation and function, and establishes the importance of osteocytes in human skeletal disease.### Competing Interest StatementT.G.P is a consultant for Imugene Pty Ltd, an Australian biotech working in cancer immunotherapy. P.I.C has funding from AMGEN for studies of cancer dormancy. Neither competing interests are the subject of this manuscript.

Osteoporosis is a common debilitating chronic disease diagnosed primarily using bone mineral density (BMD). We undertook a comprehensive assessment of human genetic determinants of bone density in 426,824 individuals, identifying a total of 518 genome-wide significant loci, (301 novel), explaining 20% of the total variance in BMD - as estimated by heel quantitative ultrasound (eBMD). Next, meta-analysis identified 13 bone fracture loci in ~1.2M individuals, which were also associated with BMD. We then identified target genes from cell-specific genomic landscape features, including chromatin conformation and accessible chromatin sites, that were strongly enriched for genes known to influence bone density and strength (maximum odds ratio = 58, P = 10E-75). We next performed rapid throughput skeletal phenotyping of 126 knockout mice lacking eBMD Target Genes and showed that these mice had an increased frequency of abnormal skeletal phenotypes compared to 526 unselected lines (P < 0.0001). In-depth analysis of one such Target Gene, DAAM2, showed a disproportionate decrease in bone strength relative to mineralization. This comprehensive human and murine genetic atlas provides empirical evidence testing how to link associated SNPs to causal genes, offers new insights into osteoporosis pathophysiology and highlights opportunities for drug development.