DNA methylation is an epigenetic modification involved in regulatory processes such as cell differentiation during development, X-chromosome inactivation, genomic imprinting and susceptibility to complex disease. However, the dynamics of DNA methylation changes between humans and their closest relatives are still poorly understood. We performed a comparative analysis of CpG methylation patterns between 9 humans and 23 primate samples including all species of great apes (chimpanzee, bonobo, gorilla and orangutan) using Illumina Methylation450 bead arrays. Our analysis identified ∼800 genes with significantly altered methylation patterns among the great apes, including ∼170 genes with a methylation pattern unique to human. Some of these are known to be involved in developmental and neurological features, suggesting that epigenetic changes have been frequent during recent human and primate evolution. We identified a significant positive relationship between the rate of coding variation and alterations of methylation at the promoter level, indicative of co-occurrence between evolution of protein sequence and gene regulation. In contrast, and supporting the idea that many phenotypic differences between humans and great apes are not due to amino acid differences, our analysis also identified 184 genes that are perfectly conserved at protein level between human and chimpanzee, yet show significant epigenetic differences between these two species. We conclude that epigenetic alterations are an important force during primate evolution and have been under-explored in evolutionary comparative genomics.

There is growing recognition that epivariations, most often recognized as promoter hypermethylation events that lead to gene silencing, are associated with a number of human diseases. However, little information exists on the prevalence and distribution of rare epigenetic variation in the human population. In order to address this, we performed a survey of methylation profiles from 23,116 individuals using the Illumina 450k array. Using a robust outlier approach, we identified 4,452 unique autosomal epivariations, including potentially inactivating promoter methylation events at 384 genes linked to human disease. For example, we observed promoter hypermethylation of BRCA1 and LDLR at population frequencies of ~1 in 3,000 and ~1 in 6,000 respectively, suggesting that epivariations may underlie a fraction of human disease which would be missed by purely sequence-based approaches. Using expression data, we confirmed that many epivariations are associated with outlier gene expression. Analysis of SNV data and monozygous twin pairs suggests that approximately two thirds of epivariations segregate in the population secondary to underlying sequence mutations, while one third are likely sproradic events that occur post-zygotically. We identified 25 loci where rare hypermethylation coincided with the presence of an unstable CGG tandem repeat, and validated the presence of novel CGG expansions at several of these, identifying the molecular defect underlying most of the known folate-sensitive fragile sites in the genome. Our study provides a catalog of rare epigenetic changes in the human genome, gives insight into the underlying origins and consequences of epivariations, and identifies many novel hypermethylated CGG repeat expansions.

ADNP syndrome, also known as Helsmoortel-van Der Aa syndrome, is a neurodevelopmental condition associated with intellectual disability/developmental delay, autism spectrum disorder, and multiple medical comorbidities. ADNP syndrome is caused by mutations in the activity-dependent neuroprotective protein (ADNP). A recent study identified genome-wide DNA methylation changes in 22 individuals with ADNP syndrome, adding to the group of neurodevelopmental disorders with an epigenetic signature. This methylation signature segregated those with ADNP syndrome into two groups, based on the location of the mutations. Here, we conducted an independent study on 24 individuals with ADNP syndrome and replicated the existence of the two, mutation-dependent ADNP episignatures. To probe whether the two distinct episignatures correlate with clinical outcomes, we used deep behavioral and neurobiological data from two prospective cohorts of individuals with a genetic diagnosis of ADNP syndrome. We found limited phenotypic differences between the two ADNP groups, and no evidence that individuals with more widespread methylation changes are more severely affected. Also, in spite of the methylation changes, we observed no profound alterations in the blood transcriptome of individuals with ADNP syndrome. Our data warrant caution in harnessing methylation signatures in ADNP syndrome as a tool for clinical stratification, at least with regards to behavioral phenotypes.

ABSTRACT Variable Number Tandem Repeats (VNTRs) are composed of large tandemly repeated motifs, many of which are highly polymorphic in copy number. However, due to their large size and repetitive nature, they remain poorly studied. To investigate the regulatory potential of VNTRs, we used read-depth data from Illumina whole genome sequencing to perform association analysis between copy number of ~70,000 VNTRs (motif size ≥10bp) with both gene expression (404 samples in 48 tissues) and DNA methylation (235 samples in peripheral blood), identifying thousands of VNTRs that are associated with local gene expression (eVNTRs) and DNA methylation levels (mVNTRs). Using large-scale replication analysis in an independent cohort we validated 73-80% of signals observed in the two discovery cohorts, providing robust evidence to support that these represent genuine associations. Further, conditional analysis indicated that many eVNTRs and mVNTRs act as QTLs independently of other local variation. We also observed strong enrichments of eVNTRs and mVNTRs for regulatory features such as enhancers and promoters. Using the Human Genome Diversity Panel, we defined sets of VNTRs that show highly divergent copy numbers among human populations, show that these are enriched for regulatory effects on gene expression and epigenetics, and preferentially associate with genes that have been linked with human phenotypes through GWAS. Our study provides strong evidence supporting functional variation at thousands of VNTRs, and defines candidate sets of VNTRs, copy number variation of which potentially plays a role in numerous human phenotypes.

Lipoprotein (a) (Lp(a)) is a risk factor for cardiovascular diseases and mainly regulated by the complex LPA gene. We investigated the types of variation in the LPA gene and their predictive performance on Lp(a) concentration. We determined the Kringle IV-type 2 (KIV-2) copy number (CN) using the DRAGEN LPA Caller (DLC) and a read depth-based CN estimator in 8351 short-read whole genome sequencing samples from the GENESIS-HD study. The pentanucleotide repeat in the promoter region was genotyped with GangSTR and ExpansionHunter. Lp(a) concentration was available in 4861 population-based subjects. Predictive performance on Lp(a) concentration was investigated using random forests. The agreement of the KIV-2 CN between the two specialized callers was high (r = 0.9966; 95% confidence interval [CI] 0.9965–0.9968). Allele-specific KIV-2 CN could be determined in 47.0% of the subjects using the DLC. Lp(a) concentration can be better predicted from allele-specific KIV-2 CN than total KIV-2 CN. Two single nucleotide variants, 4925G>A and rs41272114C>T, further improved prediction. The genetically complex LPA gene can be analyzed with excellent agreement between different callers. The allele-specific KIV-2 CN is more important for predicting Lp(a) concentration than the total KIV-2 CN.

While studies such as the 1000 Genomes Projects have resulted in detailed maps of genetic variation in humans, to date there are few robust maps of epigenetic variation. We defined sites of common epigenetic variation, termed Variably Methylated Regions (VMRs) in five purified cell types. We observed that VMRs occur preferentially at enhancers and 3′ UTRs. While the majority of VMRs have high heritability, a subset of VMRs within the genome show highly correlated variation in trans, forming co-regulated networks that have low heritability, differ between cell types and are enriched for specific transcription factor binding sites and biological pathways of functional relevance to each tissue. For example, in T cells we defined a network of 72 co-regulated VMRs enriched for genes with roles in T-cell activation; in fibroblasts a network of 21 co-regulated VMRs comprising all four HOX gene clusters enriched for control of tissue growth; and in neurons a network of 112 VMRs enriched for roles in learning and memory. By culturing genetically-identical fibroblasts under varying conditions of nutrient deprivation and cell density, we experimentally demonstrate that some VMR networks are responsive to environmental conditions, with methylation levels at these loci changing in a coordinated fashion in trans dependent on cellular growth. Intriguingly these environmentally-responsive VMRs showed a strong enrichment for imprinted loci (p<10-94), suggesting that these are particularly sensitive to environmental conditions. Our study provides a detailed map of common epigenetic variation in the human genome, showing that both genetic and environmental causes underlie this variation.

Most genetic association studies focus on binary variants. To identify the effects of multi-allelic variation of tandem repeats (TRs) on human traits, we perform direct TR genotyping and phenome-wide association studies in 168,554 individuals from the UK Biobank, identifying 47 TRs showing fine-mapped associations with 73 traits. We replicate 23 of 31 (74%) of these associations in the All of Us cohort. While this set includes several known repeat expansion disorders, novel associations we found are attributable to common polymorphic variation in TR length rather than rare expansions and include e.g. a coding polyhistidine motif in HRCT1 influencing risk of hypertension and a poly(CGC) in the 5'UTR of GNB2 influencing heart rate. Fine-mapped TRs are strongly enriched for associations with local gene expression and DNA methylation. Our study highlights the contribution of multi-allelic TRs to the "missing heritability" of the human genome. Most genetic association studies focus on bi-allelic single nucleotide variants (SNVs). Here, to investigate the possibility that multi-allelic variation of short tandem repeats influences human traits, the authors perform a phenome-wide association study in the UK Biobank, identifying novel associations missed by traditional SNV-based genome-wide association analyses.

Certain human traits such as neurodevelopmental disorders (NDs) and congenital anomalies (CAs) are believed to be primarily genetic in origin. With recent dramatic advances in genomic technologies, genome-wide surveys of cohorts of patients with ND/CAs for point mutations and structural variations have greatly advanced our understanding of their genetic etiologies. However, even after whole genome sequencing (WGS), a substantial fraction of such disorders remain unexplained. In contrast, the possibility that constitutive epigenetic variations (epivariations) might underlie such traits has not been well explored. We hypothesized that some cases of ND/CA are caused by aberrations of DNA methylation that lead to a dysregulation of normal genome function. By comparing DNA methylation profiles from 489 individuals with ND/CAs against 1,534 population controls, we identified epivariations as a frequent occurrence in the human genome. De novo epivariations were significantly enriched in cases when compared to controls. RNAseq data from population studies showed that epivariations often have an impact on gene expression comparable to loss-of-function mutations. Additionally, we detected and replicated an enrichment of rare sequence mutations overlapping CTCF binding sites close to epivariations. Thus, some epivariations occur secondary to cis-linked mutations in regulatory regions, providing a rationale for interpreting non-coding genetic variation. We propose that epivariations likely represent the causative genomic defect in 5-10% of patients with unexplained ND/CAs. This constitutes a yield comparable to CNV microarrays, and as such has significant diagnostic relevance.