Abstract Brain imaging-derived phenotypes (IDPs) serve as underlying functional intermediates in psychiatric disorders, both of which are highly polygenic and heritable. Observational studies have elucidated the correlation between IDPs and psychiatric disorders, yet no systematic screening of IDPs to confer the causal liability in such disorders. We conducted a bidirectional two-sample Mendelian randomization framework to explore the causality of 1,901 IDPs on 10 psychiatric disorders and established the BrainMR database ( http://brainmr.online/idp2psy/Index.php ). We identified 17 causalities in forward MR analyses and 14 causalities in reverse MR analyses, which all rigorously examined them through various sensitivity analyses. The top significant relationship in forward was a unit lower volume of right central lateral of the thalamic nuclei, which was causally associated with an increased anorexia nervosa risk with an estimated OR of 0.52 (95% CI 0.41-0.64, P = 3.32 × 10 −9 ). In reverse, the top significant IDP to be affected was the area of superior segment of the circular sulcus of the insula in the right hemisphere, which was increased by the reason of SCZ risk with an estimated association effect size of 0.068 (95% CI 0.046-0.090, P = 1.12 × 10 −6 ). Overall, our study provides unique insights into causal pathways of psychiatric disorders at the imaging levels.

ABSTRACT Background Compelling observational studies have reported that childhood obesity is associated with the risk of many complex diseases in adulthood. However, results from observational studies are unable to fully account for confounding factors. The causal effects of childhood obesity have not been systematically characterized. We aimed to assess the causal associations between childhood body mass index (BMI) and various adult traits/diseases using two-sample Mendelian randomization (MR). Methods and findings Over 5,000 datasets for adult outcomes were obtained from various resources. After data filtering, 269 adult traits genetically correlated with childhood BMI ( P < 0.05) were subjected to MR analyses. The number of independent outcomes was 148, setting the significant threshold as P < 3.38 × 10 −4 . Inverse-variance weighted method, MR-Egger, weighted median method, and weighted mode method were used to estimate the causal effects. We identified potential causal effects of childhood obesity on 60 adult traits (27 disease-related traits, 27 lifestyle factors, and 6 other traits). Higher childhood BMI was associated with a reduced overall health rating (β = −0.10, 95% CI: −0.13 to −0.07, P = 6.26 × 10 −11 ). Findings on diseases included some novel effects, such as the adverse effects of higher childhood BMI on cholelithiasis (OR = 1.26, 95% CI: 1.18 to 1.35, P = 3.29 × 10 −5 ). For dietary habits, we found that higher childhood BMI was positively associated adult diet portion size (β = 0.26, 95% CI: 0.18 to 0.34, P = 7.34 × 10 −11 ). Different from the conventional impression, our results showed that higher childhood BMI was positively associated with low calorie density food intake. With 76 adult BMI single-nucleotide polymorphisms (SNPs) as instruments, we confirmed that adulthood BMI was positively associated with heel bone mineral density. However, the association no longer present after excluding the SNPs existing in or in linkage disequilibrium (LD) with childhood BMI. Network MR analyses suggested that past tobacco smoking and portion size mediated 6.39% and 10.90% of the associations between childhood BMI and type 2 diabetes, respectively. The main study limitation is that it is difficult to tease out the independent effects of childhood BMI due to the strong correlation between childhood and adulthood BMI. Conclusions In summary, we provided a phenome-wide view of the effects of childhood BMI on adult traits. Our results highlight the need to intervene in childhood to reduce obesity from a young age and its later-life effects. Author summary Why was this study done? Childhood obesity is a worldwide public health problem. The prevalence has increased at an alarming rate. Observational epidemiological studies have reported that childhood obesity is associated with the risk of many complex diseases in adulthood, such as coronary artery disease (CAD) and diabetes. However, observational studies are limited in explaining causality because of possible bias from unmeasured confounding factors. What did the researchers do and find? A Mendelian randomization (MR) approach was used to provide a phenome-wide view of the causal associations between childhood BMI and adult outcomes. Potential causal effects of childhood obesity on 60 adult traits were identified. Higher childhood BMI was associated with reduced overall health rating, and caused increased risk of some diseases, such as cholelithiasis, hypothyroidism, CAD, and type 2 diabetes (T2D). In contrast, childhood BMI was positively associated with adult heel bone mineral density and low calorie density food intake. Portion size and smoking behavior might mediate the association between childhood BMI and T2D risk. What do these findings mean? Our results highlight the importance to address rising childhood obesity prevalence rate and early interventions on obesity might help to promote health equity in later life.

Abstract The human brain has been implicated in the pathogenesis of several complex diseases. Taking advantage of single-cell techniques, genome-wide association studies (GWAS) have taken it a step further and revealed brain cell-type-specific functions for disease loci. However, genetic causal associations inferred by Mendelian randomization (MR) studies usually include all instrumental variables from GWAS, which hampers the understanding of cell-specific causality. Here, we developed an analytical framework, Cell-Stratified MR (csMR), to investigate cell-stratified causality through colocalizing GWAS signals with single-cell eQTL from different brain cells. By applying to obesity-related traits, our results demonstrate the cell-type-specific effects of GWAS variants on gene expression, and indicate the benefits of csMR to identify cell-type-specific causal effect that is often hidden from bulk analyses. We also found csMR valuable to reveal distinct causal pathways between different obesity indicators. These findings suggest the value of our approach to prioritize target cells for extending genetic causation studies.

Abstract High myopia (HM) is a severe form of refractive error that results in irreversible visual impairment and even blindness. However, the genetic and pathological mechanisms underlying this condition are not yet fully understood. From a adolescents myopia survey cohort of 1015 HM patients, pathogenic missense mutations were identified in the ZC3H11A gene in four patients by whole exome sequencing. This gene is a zinc finger and stress-induced protein that plays a significant role in regulating nuclear mRNA export. To better understand the function and molecular pathogenesis of myopia in relation to gene mutations, a Zc3h11a knock-out (KO) mouse model was created. The heterozygous KO (Het-KO) mice exhibited significant shifts in vision towards myopia. Electroretinography revealed that the b-wave amplitude was significantly lower in these mice under dark adaptation. Using immunofluorescence antibodies against specific retinal cell types, the density of bipolar cell-labelled proteins was found to be decreased. Transmission electron microscopy findings suggesting ultrastructural abnormalities of the retina and sclera. Retinal transcriptome sequencing showed that 769 genes were differentially expressed, and Zc3h11a was found to have a negative impact on the PI3K-AKT and NF-κB signalling pathways by quantitative PCR and western blotting. In addition, myopia-related factors, including TGF-β1, MMP-2 and IL-6 were found to be upregulated in the retina or sclera. In summary, this study characterized a new pathogenic gene associated with HM. The findings indicated that the ZC3H11A protein may serve as an innate immune and inflammatory response trigger, contributing to the early onset of myopia. These findings offer potential therapeutic intervention targets for controlling the development of HM.

The genome-wide association studies (GWAS) have identified hundreds of susceptibility loci associated with autoimmune diseases. However, over 90% of risk variants are located in the noncoding regions, leading to great challenges in deciphering the underlying causal functional variants/genes and biological mechanisms. Previous studies focused on developing new scoring method to prioritize functional/disease-relevant variants. However, they principally incorporated annotation data across all cells/tissues while omitted the cell-specific or context-specific regulation. Moreover, limited analyses were performed to dissect the detailed molecular regulatory circuits linking functional GWAS variants to disease etiology. Here we devised a new analysis frame that incorporate hundreds of immune cell-specific multi-omics data to prioritize functional noncoding susceptibility SNPs with gene targets and further dissect their downstream molecular mechanisms and clinical applications for 19 autoimmune diseases. Most prioritized SNPs have genetic associations with transcription factors (TFs) binding, histone modification or chromatin accessibility, indicating their allelic regulatory roles on target genes. Their target genes were significantly enriched in immunologically related pathways and other immunologically related functions. We also detected long-range regulation on 90.7% of target genes including 132 ones exclusively regulated by distal SNPs (eg, CD28 , IL2RA ), which involves several potential key TFs (eg, CTCF), suggesting the important roles of long-range chromatin interaction in autoimmune diseases. Moreover, we identified hundreds of known or predicted druggable genes, and predicted some new potential drug targets for several autoimmune diseases, including two genes ( NFKB1 , SH2B3 ) with known drug indications on other diseases, highlighting their potential drug repurposing opportunities. In summary, our analyses may provide unique resource for future functional follow-up and drug application on autoimmune diseases, which are freely available at http://fngwas.online/.

Both Systemic Lupus Erythematosus (SLE) and Systemic Sclerosis (SSc) are autoimmune diseases sharing similar genetic backgrounds. Genome-wide association studies (GWASs) have constantly disclosed numerous genetic variants conferring to both disease risks at 7q32.1, but the functional mechanisms underlying them are still largely unknown. Through combining fine-mapping and functional epigenomic analyses, we prioritized a potential independent functional SNP (rs13239597) within TNPO3 promoter region, residing in a putative enhancer element. Functional analysis integrating expression quantitative trait locus (eQTL) and high-throughput chromatin interaction (Hi-C) demonstrated that IRF5 is the distal target gene (~118kb) of rs13239597, which is a key regulator of pathogenic autoantibody dysregulation increased risk of both SLE and SSc. We experimentally validated the long-range chromatin interactions between rs13239597 and IRF5 using chromosome conformation capture (3C) assay. We further demonstrated that rs13239597-A acted as an allele-specific enhancer regulating IRF5 expression, independently of TNPO3 by using dual-luciferase reporter assays and CRISPR-Cas9. Particularly, the transcription factor EVI1 could preferentially bind to rs13239597-A allele and increase the enhancer activity to regulate IRF5 expression. Taken together, our results uncovered the mechanistic insight connecting between a noncoding functional variant with a distal immunologically pathogenic gene IRF5, which might obligate in understanding the complex genetic architectures of SLE and SSc pathogenesis.

Abstract Objectives This study aimed to address the lack of gene expression regulation data in synovial tissues and to identify conditionally independent genes associated with rheumatoid arthritis (RA) in the synovium, a primary target tissue for RA. Methods Gene expression prediction models were built for synovial tissue using matched genotype and gene expression data from 202 subjects. Using this model, we conducted transcriptome-wide association study (TWAS), utilizing the largest RA genome-wide association study (GWAS) meta-analysis data (n = 276 020). Further analyses, including conditional and joint analysis, causal analysis, differential expression analysis and gene-set enrichment analysis, were conducted to deepen our understanding of genetic architecture and comorbidity aetiology of RA. Results Our analysis identified eight genes associated with RA, including three novel genes: TPRA1 (PTWAS = 9.59 × 1 0 −6), HIP1 (PTWAS = 1.47 × 1 0 −5), and RP11-73E17.2 (PTWAS = 3.32 × 1 0 −7). These genes differed from those identified in previous TWAS studies using alternative tissues, may play a crucial role in the target synovial tissue. We found four genes exhibited significant causal relationships with RA and were differentially expressed in RA patients. Furthermore, we explored potential drug repurposing opportunities for these genes. Conclusions Our study is the first to model gene expression in synovial tissue, uncovering novel genetic determinants of RA. This advancement not only deepens our understanding of RA's genetic architecture, but also offers promising avenues for targeted therapies and drug repurposing.