DNA variants in or closed to the human TBX15 and PAX1 genes have been repeatedly associated with facial morphology in independent genome-wide association studies, while their functional roles in determining facial morphology remains to be understood. We generated Tbx15 knockout ( Tbx15 -/- ) and Pax1 knockout ( Pax1 -/- ) mice by applying the one-step CRISPR/Cas9 method. A total of 75 adult mice were used for subsequent phenotype analysis, including 38 Tbx15 mice (10 homozygous Tbx15 -/- , 18 heterozygous Tbx15 +/- , 10 wild-type WT) and 37 Pax1 mice (12 homozygous Pax1 -/- , 15 heterozygous Pax1 +/- , 10 WT mice). Facial and other physical morphological phenotypes were obtained from three-dimensional (3D) images acquired with the HandySCAN BLACK scanner. Compared to WT mice, the Tbx15 -/- mutant mice had significantly shorter faces ( P =1.08E-8, R2=0.61) and their ears were in a significantly lower position ( P =3.54E-8, R2=0.62) manifesting an “ear dropping” characteristic. Besides these face alternations, Tbx15 -/- mutant mice displayed significantly lower weight as well as shorter body and limb length. Pax1 -/- mutant mice showed significantly longer noses ( P =1.14E-5, R2=0.46) relative to WT mice, but otherwise displayed less obvious morphological alterations than Tbx15 -/- mutant mice did. Because the Tbx15 and Pax1 effects on facial morphology we revealed here in mice are largely consistent with previously reported TBX15 and PAX1 face associations in humans, we suggest that the functional role these two genes play on determining the face of mice is similar to the functional impact their human homologues have on the face of humans.

Human ear morphology, a complex anatomical structure represented by a multidimensional set of correlated and heritable phenotypes, has a poorly understood genetic architecture. In this study, we quantitatively assessed 136 ear morphology traits using deep learning analysis of digital face images in 14,921 individuals from five different cohorts in Europe, Asia, and Latin America. Through GWAS meta-analysis and C-GWASs, a recently introduced method to effectively combine GWASs of many traits, we identified 16 genetic loci involved in various ear phenotypes, eight of which have not been previously associated with human ear features. Our findings suggest that ear morphology shares genetic determinants with other surface ectoderm-derived traits such as facial variation, mono eyebrow, and male pattern baldness. Our results enhance the genetic understanding of human ear morphology and shed light on the shared genetic contributors of different surface ectoderm-derived phenotypes. Additionally, gene editing experiments in mice have demonstrated that knocking out the newly ear-associated gene (Intu) and a previously ear-associated gene (Tbx15) causes deviating mouse ear morphology.

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.