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.

Human face is a heritable surface with many complex sensory organs. In recent years, many genetic loci associated with facial features have been reported in different populations, yet there is a lack for the Han Chinese population. We report a genome-wide association analysis of 3D normal human faces in 2659 Han Chinese with two groups of phenotypes, the partial and whole face phenotypes and the distance and angle phenotypes. We found significant signals in five genomic regions with traits related to nose or eyes, including rs970797 in 2q31.1 near HOXD1 and MTX2, rs16897517 in 8q22.2 at intron of VPS13B, rs9995821 in 4q31.3 near DCHS2 and SFRP2, rs12636297 in 3q23 near PISRT1, and rs12948076 in 17q24.3 near SOX9 and CASC17. We visualized changes in facial morphology by comparing the volume of local areas and observed that these nose-related loci were associated with different features of the nose, including nose prominence, nasion height, and nostril shape, suggesting that the nose underlies precise genetic regulation. These results provide a more comprehensive understanding of the relationship between genetic loci and human facial morphology.

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.