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.

David Evans, Brent Richards and colleagues carried out a genome-wide association study in 142,487 individuals from the UK Biobank and identified 153 new loci associated with heel bone mineral density. They also conducted in vivo studies that implicated GPC6 and several other genes in osteoporosis. Osteoporosis is a common disease diagnosed primarily by measurement of bone mineral density (BMD). We undertook a genome-wide association study (GWAS) in 142,487 individuals from the UK Biobank to identify loci associated with BMD as estimated by quantitative ultrasound of the heel. We identified 307 conditionally independent single-nucleotide polymorphisms (SNPs) that attained genome-wide significance at 203 loci, explaining approximately 12% of the phenotypic variance. These included 153 previously unreported loci, and several rare variants with large effect sizes. To investigate the underlying mechanisms, we undertook (1) bioinformatic, functional genomic annotation and human osteoblast expression studies; (2) gene-function prediction; (3) skeletal phenotyping of 120 knockout mice with deletions of genes adjacent to lead independent SNPs; and (4) analysis of gene expression in mouse osteoblasts, osteocytes and osteoclasts. The results implicate GPC6 as a novel determinant of BMD, and also identify abnormal skeletal phenotypes in knockout mice associated with a further 100 prioritized genes.

Osteoarthritis causes debilitating pain and disability, resulting in a huge socioeconomic burden, yet no drugs are available that prevent disease onset or progression. Here, we develop, validate and use rapid-throughput imaging techniques to identify abnormal joint phenotypes in unselected mutant mice generated by the International Knockout Mouse Consortium. We identify 14 genes with functional involvement in osteoarthritis pathogenesis, including the homeobox gene Pitx1, and functionally characterize 6 candidate human osteoarthritis genes in mouse models. We demonstrate sensitivity of the methods by identifying age-related degenerative joint damage in wild-type mice. Finally, we generate mutant mice with an osteoarthritis-associated polymorphism in the Dio2 gene by Crispr/Cas9 genome editing and demonstrate a protective role in disease onset with public health implications. This expanding resource of unselected mutant mice will transform the field by accelerating functional gene discovery in osteoarthritis and offering unanticipated drug discovery opportunities for this common and incapacitating chronic disease.

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.