Epigenome-wide association studies of disease widely use DNA methylation measured in blood as a surrogate tissue. Cell proportions can vary between people and confound associations of exposure or outcome. An adequate reference panel for estimating cell proportions from adult whole blood for DNA methylation studies is available, but an analogous cord blood cell reference panel is not yet available. Cord blood has unique cell types and the epigenetic signatures of standard cell types may not be consistent throughout the life course. Using magnetic bead sorting, we isolated cord blood cell types (nucleated red blood cells, granulocytes, monocytes, natural killer cells, B cells, CD4(+)T cells, and CD8(+)T cells) from 17 live births at Johns Hopkins Hospital. We confirmed enrichment of the cell types using fluorescence assisted cell sorting and ran DNA from the separated cell types on the Illumina Infinium HumanMethylation450 BeadChip array. After filtering, the final analysis was on 104 samples at 429,794 probes. We compared cell type specific signatures in cord to each other and methylation at 49.2% of CpG sites on the array differed by cell type (F-test P < 10(-8)). Differences between nucleated red blood cells and the remainder of the cell types were most pronounced (36.9% of CpG sites at P < 10(-8)) and 99.5% of these sites were hypomethylated relative to the other cell types. We also compared the mean-centered sorted cord profiles to the available adult reference panel and observed high correlation between the overlapping cell types for granulocytes and monocytes (both r=0.74), and poor correlation for CD8(+)T cells and NK cells (both r=0.08). We further provide an algorithm for estimating cell proportions in cord blood using the newly developed cord reference panel, which estimates biologically plausible cell proportions in whole cord blood samples.

Abstract Fetal sex-specific differences in placental morphology and physiology have been associated with sexually dimorphic health outcomes. However, the molecular mechanisms underlying these sex differences are not well understood. We performed whole genome bisulfite sequencing in 133 placenta samples and discovered a significant difference in DNA methylation (DNAm) at the ZNF300 gene locus between male and female offspring and replicated this result in 6 independent datasets. Additionally, the sex-specific pattern appears to be placenta-specific, is robust to a wide range of gestational ages and adverse health outcomes and is present in sorted placenta villous cytotrophoblast cells. Integration of DNAm, genetic, and placental morphology data from the same individuals revealed ZNF300 methylation is also associated with placenta area, perimeter, and max diameter, genetic variants on chromosomes 5 and X, and may mediate the effects of genetic variation on placental area.

ABSTRACT Integration of emerging epigenetic information with Autism Spectrum Disorder (ASD) genetic results may elucidate functional insights not possible via either type of information in isolation. We use genotype and DNA methylation (DNAm) data from cord blood and peripheral blood to identify SNPs associated with DNA methylation (meQTL lists) and additionally use publicly available fetal brain and lung meQTL lists to assess enrichment of ASD GWAS results for tissue-specific meQTLs. ASD-associated SNPs are enriched for fetal brain (OR = 3.55; p < 0.001) and peripheral blood meQTLs (OR = 1.58; p < 0.001). The CpG targets of ASD meQTLs across cord, blood, and brain tissues are enriched for immune-related pathways, consistent with other expression and DNAm results in ASD, and reveal pathways not implicated by genetic findings. This joint analysis of genotype and DNAm demonstrates the potential of both brain and blood-based DNAm for insights into ASD and psychiatric phenotypes more broadly.

Abstract Lysosomal dysfunction is a hallmark of Parkinson’s disease (PD), and variants in several PD-associated genes, including LRRK2 , perturb lysosomal homeostasis. Based on this, LRRK2 kinase inhibition is being explored as a therapeutic approach for the treatment of PD. LRRK2 inhibitors reduce levels of BMP, an endolysosomal lipid involved in glycosphingolipid (GSL) catabolism, in urine from preclinical models and clinical subjects, however, the mechanisms by which LRRK2 regulates BMP and the functional significance of this change to disease are undefined. We establish that LRRK2 regulates secretion of BMP- and GSL-containing vesicles from kidney into urine and modulates BMP and GSL levels in the brain. BMP accumulates within lysosomes as a secondary response to LRRK2’s effects on the activity of glucocerebrosidase (GCase), a PD-linked enzyme involved in GSL catabolism. Alterations in BMP and GCase substrate turnover are observed in CSF from LRRK2-PD patients, highlighting the relevance of LRRK2-dependent lysosomal dysfunction in disease.

Background: Autism spectrum disorder (ASD) is a severe neurodevelopmental disorder characterized by deficits in social communication and restricted, repetitive behaviors, interests, or activities. The etiology of ASD involves both inherited and environmental risk factors, with epigenetic processes hypothesized as one mechanism by which both genetic and non-genetic variation influence gene regulation and pathogenesis. Methods: We quantified neonatal methylomic variation in 1,263 infants - of whom ~50% went on to subsequently develop ASD - using DNA isolated from a unique collection of archived blood spots taken shortly after birth. We used matched genetic data from the same individuals to examine the molecular consequences of ASD genetic risk variants, identifying methylomic variation associated with elevated polygenic burden for ASD. In addition, we performed DNA methylation quantitative trait loci (mQTL) mapping to prioritize target genes from ASD GWAS findings. Results: Although we did not identify specific loci showing consistent changes in neonatal DNA methylation associated with later ASD, we found a significant association between increased polygenic burden for autism and methylomic variation at two CpG sites located proximal to a robust GWAS signal for ASD on chromosome 8. Conclusions: This study is the largest analysis of DNA methylation in ASD yet undertaken and the first to integrate both genetic and epigenetic variation at birth in ASD. We demonstrate the utility of using a polygenic risk score to identify molecular variation associated with disease, and of using mQTL to refine the functional and regulatory variation associated with ASD risk variants.

Abstract Variants in the leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) gene are associated with increased risk for familial and sporadic Parkinson’s disease (PD). Pathogenic variants in LRRK2, including the common variant G2019S, result in increased LRRK2 kinase activity, supporting the therapeutic potential of LRRK2 kinase inhibitors for PD. To better understand the role of LRRK2 in disease and to support the clinical development of LRRK2 inhibitors, quantitative and high-throughput assays to measure LRRK2 levels and activity are needed. We developed and applied such assays to measure the levels of LRRK2 as well as the phosphorylation of LRRK2 itself or one of its substrates, Rab10 (pT73 Rab10). We observed increased LRRK2 activity in various cellular models of disease, including iPSC-derived microglia, as well as in human subjects carrying disease-linked variant in LRRK2 (G2019S). Capitalizing on the high-throughput and sensitive nature of these assays, we detected a significant reduction in LRRK2 activity in subjects carrying missense variants in LRRK2 associated with reduced disease risk. Finally, we optimized these assays to enable analysis of LRRK2 activity following inhibition in human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and whole blood, demonstrating their potential utility as biomarkers to assess changes in LRRK2 expression and activity in the clinic.

Abstract Endometriosis is a leading cause of pain and infertility affecting millions of women globally. Identifying biologic and genetic effects on DNA methylation (DNAm) in endometrium increases understanding of mechanisms that influence gene regulation predisposing to endometriosis and offers an opportunity for novel therapeutic target discovery. Herein, we characterize variation in endometrial DNAm and its association with menstrual cycle phase, endometriosis, and genetic variants through analysis of genome-wide genotype data and methylation at 759,345 DNAm sites in endometrial samples from 984 deeply-phenotyped participants. We identify significant differences in DNAm profiles between menstrual cycle phases and at four DNAm sites between stage III/IV endometriosis and controls. We estimate that 15.4% of the variation in endometriosis is captured by DNAm, and identify DNAm networks associated with endometriosis. DNAm quantitative trait locus (mQTL) analysis identified 118,185 independent cis -mQTL including some tissue-specific effects. We find significant differences in DNAm profiles between endometriosis sub- phenotypes and a significant association between genetic regulation of methylation in endometrium and disease risk, providing functional evidence for genomic targets contributing to endometriosis risk and pathogenesis.

Background: Several reports have suggested a role for epigenetic mechanisms in ASD etiology. Epigenome-wide association studies (EWAS) in autism spectrum disorder (ASD) may shed light on particular biological mechanisms. However, studies of ASD cases versus controls have been limited by post-mortem timing and severely small sample sizes. Reports from in-life sampling of blood or saliva have also been very limited in sample size, and/or genomic coverage. We present the largest case-control EWAS for ASD to date, combining data from population-based case-control and case-sibling pair studies. Methods: DNA from 968 blood samples from children in the Study to Explore Early Development (SEED 1) was used to generate epigenome-wide array DNA methylation (DNAm) data at 485,512 CpG sites for 453 cases and 515 controls, using the Illumina 450K Beadchip. The Simons Simplex Collection (SSC) provided 450K array DNAm data on an additional 343 cases and their unaffected siblings. We performed EWAS meta-analysis across results from the two data sets, with adjustment for sex and surrogate variables that reflect major sources of biological variation and technical confounding such as cell type, batch, and ancestry. We compared top EWAS results to those from a previous brain-based analysis. We also tested for enrichment of ASD EWAS CpGs for being targets of meQTL associations using available SNP genotype data in the SEED sample. Findings: In this meta-analysis of blood-based DNA from 796 cases and 858 controls, no single CpG met a Bonferroni discovery threshold of p < 1.12x10-7. Seven CpGs showed differences at p < 1x10-5 and 48 at 1x10-4. Of the top 7, 5 showed brain-based ASD associations as well, often with larger effect sizes, and the top 48 overall showed modest concordance (r = 0.31) in direction of effect with cerebellum samples. Finally, we observed suggestive evidence for enrichment of CpG sites controlled by SNPs (meQTL targets) among the EWAS CpGs hits, which was consistent across EWAS and meQTL discovery p-value thresholds. Conclusions: We report the largest case-control EWAS study of ASD to date. No single CpG site showed a large enough DNAm difference between cases and controls to achieve epigenome-wide significance in this sample size. However, our results suggest the potential to observe disease associations from blood-based samples. Among the 7 sites achieving suggestive statistical significance, we observed consistent, and stronger, effects at the same sites among brain samples. Discovery-oriented EWAS for ASD using blood samples will likely need even larger samples and unified genetic data to further understand DNAm differences in ASD.

Background: The Illumina 450K array has been widely used in epigenetic association studies. Current quality-control (QC) pipelines typically remove certain sets of probes, such as those containing a SNP or with multiple mapping locations. An additional set of potentially problematic probes are those with DNA methylation (DNAm) distributions characterized by two or more distinct clusters separated by gaps. Data-driven identification of such probes may offer additional insights for downstream analyses. Results: We developed a procedure, termed 'gap hunting', to identify probes showing clustered distributions. Among 590 peripheral blood samples from the Study to Explore Early Development, we identified 11,007 'gap probes'. The vast majority (9,199) are likely attributed to an underlying SNP(s) or other variant in the probe, although SNP-affected probes exist that do not produce a gap signals. Specific factors predict which SNPs lead to gap signals, including type of nucleotide change, probe type, DNA strand, and overall methylation state. These expected effects are demonstrated in paired genotype and 450k data on the same samples. Gap probes can also serve as a surrogate for the local genetic sequence on a haplotype scale and can be used to adjust for population stratification. Conclusions: The characteristics of gap probes reflect potentially informative biology. QC pipelines may benefit from an efficient data-driven approach that 'flags' gap probes, rather than filtering such probes, followed by careful interpretation of downstream association analyses. Our results should translate directly to the recently released Illumina 850K EPIC array given the similar chemistry and content design.

Abstract Although male-female differences in placental structure and function have been observed, little is understood about their molecular underpinnings. Here, we present a mega-analysis of 14 publicly available placenta DNA methylation (DNAm) microarray datasets to identify individual CpGs and regions associated with fetal sex. In the discovery dataset of placentas from full term pregnancies (N = 532 samples), 5,212 CpGs met genome-wide significance (p < 1E-8) and were enriched in pathways such as keratinization (FDR p-value = 7.37E-14), chemokine activity (FDR p-value = 1.56E-2), and eosinophil migration (FDR p-value = 1.83E-2). Nine differentially methylated regions were identified (fwerArea < 0.1) including a region in the promoter of ZNF300 that showed consistent differential DNAm in samples from earlier timepoints in pregnancy and appeared to be driven predominately by effects in the trophoblast cell type. We describe the largest study of fetal sex differences in placenta DNAm performed to date, revealing genes and pathways characterizing sex-specific placenta function and health outcomes later in life.