Abstract There is increasing evidence that genetic risk variants for non-syndromic cleft lip/palate (nsCL/P) are also associated with normal-range variation in facial morphology. However, previous analyses are mostly limited to candidate SNPs and findings have not been consistently replicated. Here, we used polygenic risk scores (PRS) to test for genetic overlap between nsCL/P and seven biologically relevant facial phenotypes. Where evidence was found of genetic overlap, we used bidirectional Mendelian randomization (MR) to test the hypothesis that genetic liability to nsCL/P is causally related to implicated facial phenotypes. Across 5,804 individuals of European ancestry from two studies, we found strong evidence, using PRS, of genetic overlap between nsCL/P and philtrum width; a 1 S.D. increase in nsCL/P PRS was associated with a 0.10 mm decrease in philtrum width (95% C.I. 0.054, 0.146; P = 0.00002). Follow-up MR analyses supported a causal relationship; genetic variants for nsCL/P homogeneously cause decreased philtrum width. In addition to the primary analysis, we also identified two novel risk loci for philtrum width at 5q22.2 and 7p15.2 in our Genome-wide Association Study (GWAS) of 6,136 individuals. Our results support a liability threshold model of inheritance for nsCL/P, related to abnormalities in development of the philtrum.

The analysis of contemporary genomic data typically operates on one-dimensional phenotypic measurements (e.g. standing height). Here we report on a data-driven, family-informed strategy to facial phenotyping that searches for biologically relevant traits and reduces multivariate 3D facial shape variability into amendable univariate measurements, while preserving its structurally complex nature. We performed a biometric identification of siblings in a sample of 424 children, defining 1,048 sib-shared facial traits. Subsequent quantification and analyses in an independent European cohort (n = 8,246) demonstrated significant heritability for a subset of traits (0.17-0.53) and highlighted 218 genome-wide significant loci (38 also study-wide) associated with facial variation shared by siblings. These loci showed preferential enrichment for active chromatin marks in cranial neural crest cells and embryonic craniofacial tissues and several regions harbor putative craniofacial genes, thereby enhancing our knowledge on the genetic architecture of normal-range facial variation.

Abstract The human face is complex and multipartite, and characterization of its genetic architecture remains intriguingly challenging. Applying GWAS to multivariate shape phenotypes, we identified 203 genomic regions associated with normal-range facial variation, 117 of which are novel. The associated regions are enriched for both genes relevant to craniofacial and limb morphogenesis and enhancer activity in cranial neural crest cells and craniofacial tissues. Genetic variants grouped by their contribution to similar aspects of facial variation show high within-group correlation of enhancer activity, and four SNP pairs display evidence of epistasis, indicating potentially coordinated actions of variants within the same cell types or tissues. In sum, our analyses provide new insights for understanding how complex morphological traits are shaped by both individual and coordinated genetic actions.

Abstract The cranial vault – the portion of the skull surrounding the brain and cerebellum – is highly variable, clinically relevant, and heritable, yet its genetic architecture remains poorly understood. Here, we conducted a joint multi-ancestry and admixed multivariate GWAS on 3D cranial vault shape extracted from magnetic resonance images of 6,772 children from the ABCD study cohort, identifying 30 genome-wide significant genetic loci and replicating 20 of these signals in 16,947 additional individuals of the UK Biobank. This joint multi-ancestry GWAS was enriched for genetic components of cranial vault shape shared across ancestral groups and yielded a greater discovery than a European-only GWAS. We present supporting evidence for parietal versus frontal bone localization for several of the identified genes based on expression patterns in E15.5 mice. Collectively, our GWAS loci were enriched for processes related to skeletal development and showed elevated activity in cranial neural crest cells, suggesting a role during early craniofacial development. Among the identified genes, were RUNX2 and several of its upstream and downstream actors, highlighting the prominent role of intramembranous ossification – which takes place at the cranial sutures – in influencing cranial vault shape. We found that mutations in many genes associated with craniosynostosis exert their pathogenicity by modulating the same pathways involved in normal cranial vault development. This was further demonstrated in a non-syndromic sagittal craniosynostosis case-parent trio dataset of 63 probands (n = 189), where our GWAS signals near BMP2, BBS9 , and ZIC2 contributed significantly to disease risk. Moreover, we found strong evidence of overlap with genes influencing the morphology of the face and the brain, suggesting a common genetic architecture connecting these developmentally adjacent structures. Overall, our study provides a comprehensive overview of the genetics underlying normal cranial vault shape and its relevance for understanding modern human craniofacial diversity and the etiology of congenital malformations.

The human face represents a combined set of highly heritable phenotypes, but knowledge on its genetic architecture remains limited despite the relevance for various fields of science and application. A series of genome-wide association studies on 78 facial shape phenotypes quantified from 3-dimensional facial images of 10,115 Europeans identified 24 genetic loci reaching genome-wide significant association, among which 17 were previously unreported. A multi-ethnic study in additional 7,917 individuals confirmed 13 loci including 8 unreported ones. A global map of polygenic face scores assembled facial features in major continental groups consistent with anthropological knowledge. Analyses of epigenomic datasets from cranial neural crest cells revealed abundant cis-regulatory activities at the face-associated genetic loci. Luciferase reporter assays in neural crest progenitor cells highlighted enhancer activities of several face-associated DNA variants. These results substantially advance our understanding of the genetic basis underlying human facial variation and provide candidates for future in-vivo functional studies.

Prior studies suggest dental caries traits in children and adolescents are partially heritable, but there has been no large-scale consortium genome-wide association study (GWAS) to date. We therefore performed GWAS for caries in participants aged 2.5-18.0 years from 9 contributing centers. Phenotype definitions were created for the presence or absence of treated or untreated caries, stratified by primary and permanent dentition. All studies tested for association between caries and genotype dosage (imputed to Haplotype Reference Consortium or 1000 Genomes phase 1 version 3 panels) accounting for population stratification. Fixed-effects meta-analysis was performed weighted by inverse standard error. Analysis included up to 19,003 individuals (7,530 affected) for primary teeth and 13,353 individuals (5,875 affected) for permanent teeth. Evidence for association with caries status was observed at rs1594318-C for primary teeth (intronic within ALLC, Odds Ratio (OR) 0.85, Effect Allele Frequency (EAF) 0.60, p 4.13e-8) and rs7738851-A (intronic within NEDD9, OR 1.28, EAF 0.85, p 1.63e-8) for permanent teeth. Consortium-wide estimated heritability of caries was low (h2 of 1% [95% CI: 0%:7%] and 6% [95% CI 0%:13%] for primary and permanent dentitions, respectively) compared to corresponding within-study estimates (h2 of 28%, [95% CI: 9%:48%] and 17% [95% CI:2%:31%]) or previously published estimates. This study was designed to identify common genetic variants with modest effects which are consistent across different populations. We found few single variants associated with caries status under these assumptions. Phenotypic heterogeneity between cohorts and limited statistical power will have contributed; these findings could also reflect complexity not captured by our study design, such as genetic effects which are conditional on environmental exposure.

Abstract The contribution of low-frequency variants to the genetic architecture of normal-range facial traits is unknown. We studied the influence of low-frequency coding variants (MAF < 1%) on multi-dimensional facial shape phenotypes in 2329 healthy Europeans. We used MultiSKAT o scan the exome for face-associated low-frequency variants in a gene-based manner. Seven genes ( AR, CARS2, FTSJ1, HFE, LTB4R, TELO2, NECTIN1 ) were significantly associated with shape variation of the cheek, chin, nose and mouth areas. These genes displayed a wide range of phenotypic effects, with some impacting the full face and others affecting localized regions. The missense variant rs142863092 in NECTIN1 had a significant effect on chin morphology, and was predicted bioinformatically to be deleterious. NECTIN1 is an established craniofacial gene that underlies a human syndrome that includes a mandibular phenotype. We further showed that nectin1a mutations can affect zebrafish craniofacial development, with the size and shape of the mandibular cartilage altered in mutant animals. These Findings highlighted the role of low-frequency coding variants in normal-range facial variation.