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.

Abstract Sexual selection researchers have traditionally focused on adult sex differences; however, the schedule and pattern of sex-specific ontogeny can provide insights unobtainable from an exclusive focus on adults. Recently, it has been debated whether facial width-to-height ratio (fWHR; bi-zygomatic breadth divided by midface height) is a human secondary sexual characteristic (SSC). Here, we review current evidence, then address this debate using ontogenetic evidence, which has been under-explored in fWHR research. Facial measurements collected from males and females aged 3 to 40 (Study 1; US, n= 2449), and 7 to 21 (Study 2; Bolivia, n =179) were used to calculate three fWHR variants (which we call fWHR nasion , fWHR stomion , and fWHR brow ) and two other common facial masculinity ratios (facial width-to-lower-face-height ratio, fWHR lower, and cheekbone prominence). We test whether the observed pattern of facial development exhibits patterns indicative of SSCs, i.e. differential adolescent growth in either male or female facial morphology leading to an adult sex difference. Results showed that only fWHR lower exhibited both adult sex differences as well as the classic pattern of ontogeny for SSCs—greater lower-face growth in male adolescents relative to females. fWHR brow was significantly wider among both pre- and post-pubertal males in the 2D sample; post-hoc analyses revealed that the effect was driven by large sex differences in brow height, with females having higher placed brows than males across ages. In both samples, all fWHR measures were inversely associated with age; that is, human facial growth is characterized by greater relative growth in the mid-face and lower face relative to facial width. This trend continues even into middle adulthood. BMI was also a positive predictor of most of the ratios across ages, with greater BMI associated with wider faces. Researchers collecting data on fWHR should target fWHR lower and fWHR brow and should control for both age and BMI.

ABSTRACT Evidence from both model organisms and clinical genetics suggests close coordination between the developing brain and face 1–8 , but it remains unknown whether this developmental link extends to genetic variation that drives normal-range diversity of face and brain shape. Here, we performed a multivariate genome-wide association study of cortical surface morphology in 19,644 European-ancestry individuals and identified 472 genomic loci influencing brain shape at multiple levels. We discovered a substantial overlap of these brain shape association signals with those linked to facial shape variation, with 76 common to both. These shared loci include transcription factors with cell-intrinsic roles in craniofacial development, as well as members of signaling pathways involved in brain-face crosstalk. Brain shape heritability is equivalently enriched near regulatory regions active in either brain organoids or in facial progenitor cells. However, brain shape association signals shared with face shape are distinct from those shared with behavioral-cognitive traits or neuropsychiatric disorder risk. Together, we uncover common genetic variants and candidate molecular players underlying brain-face interactions. We propose that early in embryogenesis, the face and the brain mutually shape each other through a combination of structural effects and paracrine signaling, but this interplay may have little impact on later brain development associated with cognitive function.

Human craniofacial shape is highly variable yet highly heritable with genetic variants interacting through multiple layers of development. Here, we hypothesize that Mendelian phenotypes represent the extremes of a phenotypic spectrum and, using achondroplasia as an example, we introduce a syndrome-informed phenotyping approach to identify genomic loci associated with achondroplasia-like facial variation in the normal population. We compared three-dimensional facial scans from 43 individuals with achondroplasia and 8246 controls to calculate achondroplasia-like facial scores. Multivariate GWAS of the control scores revealed a polygenic basis for normal facial variation along an achondroplasia-specific shape axis, identifying genes primarily involved in skeletal development. Jointly modeling these genes in two independent control samples showed craniofacial effects approximating the characteristic achondroplasia phenotype. These findings suggest that both complex and Mendelian genetic variation act on the same developmentally determined axes of facial variation, providing new insights into the genetic intersection of complex traits and Mendelian disorders.

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.

Multi-view data offer advantages over single-view data for characterizing individuals, which is crucial in precision medicine toward personalized prevention, diagnosis, or treatment follow-up. Here, we develop a network-guided multi-view clustering framework named netMUG to identify actionable subgroups of individuals. This pipeline first adopts sparse multiple canonical correlation analysis to select multi-view features possibly informed by extraneous data, which are then used to construct individual-specific networks (ISNs). Finally, the individual subtypes are automatically derived by hierarchical clustering on these network representations. We applied netMUG to a dataset containing genomic data and facial images to obtain BMI-informed multi-view strata and showed how it could be used for a refined obesity characterization. Benchmark analysis of netMUG on synthetic data with known strata of individuals indicated its superior performance compared with both baseline and benchmark methods for multi-view clustering. In addition, the real-data analysis revealed subgroups strongly linked to BMI and genetic and facial determinants of these classes. NetMUG provides a powerful strategy, exploiting individual-specific networks to identify meaningful and actionable strata. Moreover, the implementation is easy to generalize to accommodate heterogeneous data sources or highlight data structures.

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.

Nonsyndromic cleft lip with or without cleft palate (NSCL/P) is the most common craniofacial birth defect in humans and is notable for its apparent sexual dimorphism where approximately twice as many males are affected as females. The sources of this disparity are largely unknown, but interactions between genetic and sex effects are likely contributors. We examined gene-by-sex (G x S) interactions in a worldwide sample of 2,142 NSCL/P cases and 1,700 controls recruited from 13 countries. First, we performed genome-wide joint tests of the genetic (G) and G x S effects genome-wide using logistic regression assuming an additive genetic model and adjusting for 18 principal components of ancestry. We further interrogated loci with suggestive results from the joint test (p < 1.00x10-5) by examining the G x S effects from the same model. Out of the 133 loci with suggestive results (p < 1.00x10-5) for the joint test, we observed one genome-wide significant G x S effect in the 10q21 locus (rs72804706; p = 6.69x10-9; OR = 2.62 [1.89, 3.62]) and 16 suggestive G x S effects. At the intergenic 10q21 locus, the risk of NSCL/P is estimated to increase with additional copies of the minor allele for females, but the opposite effect for males. Our observation that the impact of genetic variants on NSCL/P risk differs for males and females may further our understanding of the genetic architecture of NSCL/P and the sex differences underlying clefts and other birth defects.