Abstract Large-scale whole-genome sequencing studies have enabled analysis of noncoding rare variants’ (RVs) associations with complex human traits. Variant set analysis is a powerful approach to study RV association, and a key component of it is constructing RV sets for analysis. However, existing methods have limited ability to define analysis units in the noncoding genome. Furthermore, there is a lack of robust pipelines for comprehensive and scalable noncoding RV association analysis. Here we propose a computationally-efficient noncoding RV association-detection framework that uses STAAR (variant-set test for association using annotation information) to group noncoding variants in gene-centric analysis based on functional categories. We also propose SCANG (scan the genome)-STAAR, which uses dynamic window sizes and incorporates multiple functional annotations, in a non-gene-centric analysis. We furthermore develop STAARpipeline to perform flexible noncoding RV association analysis, including gene-centric analysis as well as fixed-window-based and dynamic-window-based non-gene-centric analysis. We apply STAARpipeline to identify noncoding RV sets associated with four quantitative lipid traits in 21,015 discovery samples from the Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) program and replicate several noncoding RV associations in an additional 9,123 TOPMed samples.

Abstract Plasma lipids are heritable modifiable causal factors for coronary artery disease, the leading cause of death globally. Despite the well-described monogenic and polygenic bases of dyslipidemia, limitations remain in discovery of lipid-associated alleles using whole genome sequencing, partly due to limited sample sizes, ancestral diversity, and interpretation of potential clinical significance. Increasingly larger whole genome sequence datasets with plasma lipids coupled with methodologic advances enable us to more fully catalog the allelic spectrum for lipids. Here, among 66,329 ancestrally diverse (56% non-European ancestry) participants, we associate 428M variants from deep-coverage whole genome sequences with plasma lipids. Approximately 400M of these variants were not studied in prior lipids genetic analyses. We find multiple lipid-related genes strongly associated with plasma lipids through analysis of common and rare coding variants. We additionally discover several significantly associated rare non-coding variants largely at Mendelian lipid genes. Notably, we detect rare LDLR intronic variants associated with markedly increased LDL-C, similar to rare LDLR exonic variants. In conclusion, we conducted a systematic whole genome scan for plasma lipids expanding the alleles linked to lipids for multiple ancestries and characterize a clinically-relevant rare non-coding variant model for lipids.

Abstract The current understanding of the genetic architecture of lipids has largely come from genome-wide association studies. To date, few studies have examined the genetic architecture of lipids in Polynesians, and none have in Samoans, whose unique population history, including many population bottlenecks, may provide insight into the biological foundations of variation in lipid levels. Here we performed a genome-wide association study of four fasting serum lipid levels: total cholesterol (TC), high-density lipoprotein (HDL), low-density lipoprotein (LDL), and triglycerides (TG) in a sample of 2,849 Samoans, with validation genotyping for associations in a replication cohort comprising 1,798 Samoans and American Samoans. We identified multiple genome-wide significant associations ( P < 5 × 10 −8 ) previously seen in other populations – APOA1 with TG, CETP with HDL, and APOE with TC and LDL – and several suggestive associations ( P < 1 × 10 −5 ), including an association of variants downstream of MGAT1 and RAB21 with HDL. However, we observed different association signals for variants near APOE than what has been previously reported in non-Polynesian populations. The association with several known lipid loci combined with the newly-identified associations with variants near MGAT1 and RAB21 suggest that while some of the genetic architecture of lipids is shared between Samoans and other populations, part of the genetic architecture may be Polynesian-specific.

Abstract Epidemiological studies of obesity, Type-2 diabetes (T2D), cardiovascular diseases and several common cancers have revealed an increased risk in Native Hawaiians compared to European- or Asian-Americans living in the Hawaiian islands. However, there remains a gap in our understanding of the genetic factors that affect the health of Native Hawaiians. To fill this gap, we studied the genetic risk factors at both the chromosomal and sub-chromosomal scales using genome-wide SNP array data on ∼4,000 Native Hawaiians from the Multiethnic Cohort. We estimated the genomic proportion of Native Hawaiian ancestry (“global ancestry,” which we presumed to be Polynesian in origin), as well as this ancestral component along each chromosome (“local ancestry”) and tested their respective association with binary and quantitative cardiometabolic traits. After attempting to adjust for non-genetic covariates evaluated through questionnaires, we found that per 10% increase in global Polynesian genetic ancestry, there is a respective 8.6%, and 11.0% increase in the odds of being diabetic ( P = 1.65 10 −4 ) and having heart failure ( P = 2.18 10 −4 ), as well as a 0.059 s.d. increase in BMI ( P = 1.04 10 −10 ). When testing the association of local Polynesian ancestry with risk of disease or biomarkers, we identified a chr6 region associated with T2D. This association was driven by an uniquely prevalent variant in Polynesian ancestry individuals. However, we could not replicate this finding in an independent Polynesian cohort from Samoa due to the small sample size of the replication cohort. In conclusion, we showed that Polynesian ancestry, which likely capture both genetic and lifestyle risk factors, is associated with an increased risk of obesity, Type-2 diabetes, and heart failure, and that larger cohorts of Polynesian ancestry individuals will be needed to replicate the putative association on chr6 with T2D. Author Summary Native Hawaiians are one of the fastest growing ethnic minority in the U.S., and exhibit increased risk for metabolic and cardiovascular diseases. However, they are generally understudied, especially from a genetic perspective. To fill this gap, we studied the association of Polynesian genetic ancestry, at genomic and subgenomic scale, with quantitative and binary traits in self-identified Native Hawaiians. We showed that Polynesian ancestry, which likely capture both genetic and non-genetic risk factors related to Native Hawaiian people and culture are associated with increased risk for obesity, type-2 diabetes, and heart failure. While we do not endorse utilizing genetic information to supplant current standards of defining community membership through self-identity or genealogical records, our results suggest future studies could identify population-specific genetic susceptibility factors that may be useful in suggesting underlying biological mechanisms and reducing the disparity in disease interventions in Polynesian populations.

Aim/Hypotheses: The minor allele of CREBRF rs373863828 associates with increased body mass index (BMI) and reduced risk of type 2 diabetes (T2D) in the Samoan population of Samoa and American Samoa. Our aim was to test rs373863828 for association with BMI and odds of T2D, gout and chronic kidney disease (CKD) in Māori and Pacific (Polynesian) people living in Aotearoa New Zealand in 2,286 adults. Methods: Association analyses were performed by linear and logistic regression with BMI, log-transformed BMI, waist circumference, T2D, gout and CKD. Analyses were adjusted for age, sex, the first four genome-wide principal components, and (when appropriate) BMI, waist circumference and T2D. Results: For the minor allele of rs373863828 the effect size for log-transformed BMI was 0.038 (95% CI [0.022-0.055], P=4.8x10-6) and for T2D was OR=0.59 (95% CI [0.47-0.73], P=1.9x10-6). There was no evidence for association of genotype with variance in BMI (P=0.13). Nor was there evidence for association with serum urate (β=0.012 mmol/L, Pc=0.10), gout (OR=1.00, P=0.98) or CKD (OR=0.91, P=0.59). Conclusions/interpretation: Our results replicated, with very similar effect sizes, association of the minor allele of rs373863828 with higher BMI but lower odds of T2D among New Zealand Polynesian adults, as in Samoan adults living in Samoa and American Samoa.

Telomeres shorten in replicating somatic cells and with age; in human leukocytes, telomere length (TL) is associated with a host of aging-related diseases. To date, 16 genome-wide association studies (GWAS) have identified twenty-three loci associated with leukocyte TL, but prior studies were primarily in individuals of European and Asian ancestry and relied on laboratory assays including Southern Blot and qPCR to quantify TL. Here, we estimated TL bioinformatically, leveraging whole genome sequencing (WGS) of whole blood from n=75,176 subjects in the Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) Program. We performed the largest multi-ethnic and only WGS-based genome-wide association analysis of TL to date. We identified 22 associated loci (p-value <5x10-8), including 10 novel loci. Three of the novel loci map to genes involved in telomere maintenance and/or DNA damage repair: TERF2, RFWD3, and SAMHD1. Many of the 99 pathways identified in gene set enrichment analysis for the 22 loci (multiple-testing corrected false discovery rate (FDR) <0.05) pertain to telomere biology, including the top five (FDR<1x10-9). Importantly, several loci, including the recently identified TINF2 and ATM loci, showed strong ancestry-specific associations.

Objectives Studies have demonstrated that rs373863828, a missense mutation in CREBRF , is associated with a number of anthropometric traits including body mass index (BMI), obesity, percent body fat, hip circumference, and abdominal circumference. Given the biological relationship between height and adiposity, we hypothesized that the effect of this variant on BMI might be due in part to a previously untested association of this variant with height.Methods We tested the hypothesis that minor allele of rs373863828 is associated with height in a Samoan population in two adult cohorts and in a separate cohort of children (age 5 - 18 years old) using linear mixed modeling.Results We found evidence of a strong relationship between rs373863828 and greater mean height in Samoan adults (0.77 cm greater average height for each copy of the minor allele) with the same direction of effect in Samoan children.Conclusions These results suggest that the missense variant rs373863828 in CREBRF , first identified through an association with larger BMI, may be related to an underlying biological mechanism affecting overall body size including stature.