To date, most genome-wide association studies (GWAS) and studies of fine-scale population structure have been conducted primarily on Europeans. Han Chinese, the largest ethnic group in the world, composing 20% of the entire global human population, is largely underrepresented in such studies. A well-recognized challenge is the fact that population structure can cause spurious associations in GWAS. In this study, we examined population substructures in a diverse set of over 1700 Han Chinese samples collected from 26 regions across China, each genotyped at ∼160K single-nucleotide polymorphisms (SNPs). Our results showed that the Han Chinese population is intricately substructured, with the main observed clusters corresponding roughly to northern Han, central Han, and southern Han. However, simulated case-control studies showed that genetic differentiation among these clusters, although very small (FST = 0.0002 ∼0.0009), is sufficient to lead to an inflated rate of false-positive results even when the sample size is moderate. The top two SNPs with the greatest frequency differences between the northern Han and southern Han clusters (FST > 0.06) were found in the FADS2 gene, which associates with the fatty acid composition in phospholipids, and in the HLA complex P5 gene (HCP5), which associates with HIV infection, psoriasis, and psoriatic arthritis. Ingenuity Pathway Analysis (IPA) showed that most differentiated genes among clusters are involved in cardiac arteriopathy (p < 10−101). These signals indicating significant differences among Han Chinese subpopulations should be carefully explained in case they are also detected in association studies, especially when sample sources are diverse. To date, most genome-wide association studies (GWAS) and studies of fine-scale population structure have been conducted primarily on Europeans. Han Chinese, the largest ethnic group in the world, composing 20% of the entire global human population, is largely underrepresented in such studies. A well-recognized challenge is the fact that population structure can cause spurious associations in GWAS. In this study, we examined population substructures in a diverse set of over 1700 Han Chinese samples collected from 26 regions across China, each genotyped at ∼160K single-nucleotide polymorphisms (SNPs). Our results showed that the Han Chinese population is intricately substructured, with the main observed clusters corresponding roughly to northern Han, central Han, and southern Han. However, simulated case-control studies showed that genetic differentiation among these clusters, although very small (FST = 0.0002 ∼0.0009), is sufficient to lead to an inflated rate of false-positive results even when the sample size is moderate. The top two SNPs with the greatest frequency differences between the northern Han and southern Han clusters (FST > 0.06) were found in the FADS2 gene, which associates with the fatty acid composition in phospholipids, and in the HLA complex P5 gene (HCP5), which associates with HIV infection, psoriasis, and psoriatic arthritis. Ingenuity Pathway Analysis (IPA) showed that most differentiated genes among clusters are involved in cardiac arteriopathy (p < 10−101). These signals indicating significant differences among Han Chinese subpopulations should be carefully explained in case they are also detected in association studies, especially when sample sources are diverse.

Abstract It is a long standing question as to which genes define the characteristic facial features among different ethnic groups. In this study, we use Uyghurs, an ancient admixed population to query the genetic bases why Europeans and Han Chinese look different. Facial traits were analyzed based on high-dense 3D facial images; numerous biometric spaces were examined for divergent facial features between European and Han Chinese, ranging from inter-landmark distances to dense shape geometrics. Genome-wide association analyses were conducted on a discovery panel of Uyghurs. Six significant loci were identified four of which, rs1868752, rs118078182, rs60159418 at or near UBASH3B, COL23A1, PCDH7 and rs17868256 were replicated in independent cohorts of Uyghurs or Southern Han Chinese. A prospective model was also developed to predict 3D faces based on top GWAS signals, and tested in hypothetic forensic scenarios.

Structural variants (SVs) may play important roles in human adaption to extreme environments such as high altitude but have been under-investigated. Here, combining long-read sequencing with multiple scaffolding techniques, we assembled a high-quality Tibetan genome (ZF1), with a contig N50 length of 24.57 mega-base pairs (Mb) and a scaffold N50 length of 58.80 Mb. The ZF1 assembly filled 80 remaining N-gaps (0.25 Mb in total length) in the reference human genome (GRCh38). Markedly, we detected 17,900 SVs, among which the ZF1-specific SVs are enriched in GTPase activity that is required for activation of the hypoxic pathway. Further population analysis uncovered a 163-bp intronic deletion in the MKL1 gene showing large divergence between highland Tibetans and lowland Han Chinese. This deletion is significantly associated with lower systolic pulmonary arterial pressure, one of the key adaptive physiological traits in Tibetans. Moreover, with the use of the high quality de novo assembly, we observed a much higher rate of genome-wide archaic hominid (Altai Neanderthal and Denisovan) shared non-reference sequences in ZF1 (1.32%-1.53%) compared to other East Asian genomes (0.70%-0.98%), reflecting a unique genomic composition of Tibetans. One such archaic-hominid shared sequence, a 662-bp intronic insertion in the SCUBE2 gene, is enriched and associated with better lung function (the FEV1/FVC ratio) in Tibetans. Collectively, we generated the first high-resolution Tibetan reference genome, and the identified SVs may serve as valuable resources for future evolutionary and medical studies.

It is a long standing question as to which genes define the characteristic facial features among different ethnic groups. In this study, we use Uyghurs, an ancient admixed population to query the genetic bases why Europeans and Han Chinese look different. Facial traits were analyzed based on high-dense 3D facial images; numerous biometric spaces were examined for divergent facial features between European and Han Chinese, ranging from inter-landmark distances to dense shape geometrics. Genome-wide association analyses were conducted on a discovery panel of Uyghurs. Six significant loci were identified four of which, rs1868752, rs118078182, rs60159418 at or near UBASH3B, COL23A1, PCDH7 and rs17868256 were replicated in independent cohorts of Uyghurs or Southern Han Chinese. A prospective model was also developed to predict 3D faces based on top GWAS signals, and tested in hypothetic forensic scenarios.