Martin Tobin and colleagues present genome-wide association studies for pulmonary function as part of the SpiroMeta consortium. Pulmonary function measures are heritable traits that predict morbidity and mortality and define chronic obstructive pulmonary disease (COPD). We tested genome-wide association with forced expiratory volume in 1 s (FEV1) and the ratio of FEV1 to forced vital capacity (FVC) in the SpiroMeta consortium (n = 20,288 individuals of European ancestry). We conducted a meta-analysis of top signals with data from direct genotyping (n ≤ 32,184 additional individuals) and in silico summary association data from the CHARGE Consortium (n = 21,209) and the Health 2000 survey (n ≤ 883). We confirmed the reported locus at 4q31 and identified associations with FEV1 or FEV1/FVC and common variants at five additional loci: 2q35 in TNS1 (P = 1.11 × 10−12), 4q24 in GSTCD (2.18 × 10−23), 5q33 in HTR4 (P = 4.29 × 10−9), 6p21 in AGER (P = 3.07 × 10−15) and 15q23 in THSD4 (P = 7.24 × 10−15). mRNA analyses showed expression of TNS1, GSTCD, AGER, HTR4 and THSD4 in human lung tissue. These associations offer mechanistic insight into pulmonary function regulation and indicate potential targets for interventions to alleviate respiratory disease.

Patterns of wheezing during early childhood may indicate differences in aetiology and prognosis of respiratory illnesses. Improved characterisation of wheezing phenotypes could lead to the identification of environmental influences on the development of asthma and airway diseases in predisposed individuals.Data collected on wheezing at seven time points from birth to 7 years from 6265 children in a longitudinal birth cohort (the ALSPAC study) were analysed. Latent class analysis was used to assign phenotypes based on patterns of wheezing. Measures of atopy, airway function (forced expiratory volume in 1 s (FEV(1)), mid forced expiratory flow (FEF(25-75))) and bronchial responsiveness were made at 7-9 years of age.Six phenotypes were identified. The strongest associations with atopy and airway responsiveness were found for intermediate onset (18 months) wheezing (OR for atopy 8.36, 95% CI 5.2 to 13.4; mean difference in dose response to methacholine 1.76, 95% CI 1.41 to 2.12 %FEV(1) per mumol, compared with infrequent/never wheeze phenotype). Late onset wheezing (after 42 months) was also associated with atopy (OR 6.6, 95% CI 4.7 to 9.4) and airway responsiveness (mean difference 1.61, 95% CI 1.37 to 1.85 %FEV(1) per mumol). Transient and prolonged early wheeze were not associated with atopy but were weakly associated with increased airway responsiveness and persistent wheeze had intermediate associations with these outcomes.The wheezing phenotypes most strongly associated with atopy and airway responsiveness were characterised by onset after age 18 months. This has potential implications for the timing of environmental influences on the initiation of atopic wheezing in early childhood.

Martin Tobin and colleagues report a meta-analysis of 23 genome-wide association studies for pulmonary function. They identify 16 loci newly associated with variation in two cross-sectional measures of lung function, used to define airway obstruction and to grade the severity of obstruction. Pulmonary function measures reflect respiratory health and are used in the diagnosis of chronic obstructive pulmonary disease. We tested genome-wide association with forced expiratory volume in 1 second and the ratio of forced expiratory volume in 1 second to forced vital capacity in 48,201 individuals of European ancestry with follow up of the top associations in up to an additional 46,411 individuals. We identified new regions showing association (combined P < 5 × 10−8) with pulmonary function in or near MFAP2, TGFB2, HDAC4, RARB, MECOM (also known as EVI1), SPATA9, ARMC2, NCR3, ZKSCAN3, CDC123, C10orf11, LRP1, CCDC38, MMP15, CFDP1 and KCNE2. Identification of these 16 new loci may provide insight into the molecular mechanisms regulating pulmonary function and into molecular targets for future therapy to alleviate reduced lung function.

Asthma has its origins in early childhood, but different patterns of childhood wheezing vary in their associations with subsequent asthma, atopy, and bronchial hyperresponsiveness (BHR). Novel wheezing phenotypes have been identified on the basis of analyses of longitudinal data from the Avon Longitudinal Study of Parents And Children (ALSPAC). It is unclear whether these phenotypes can be replicated in other birth cohorts.To compare wheezing phenotypes identified in the first 8 years of life in the ALSPAC study and the Prevention and Incidence of Asthma and Mite Allergy (PIAMA) study.We used longitudinal latent class analysis to identify phenotypes on the basis of repeated reports of wheezing from 0 to 8 years in 5760 children from the ALSPAC study and 2810 children from the PIAMA study. Phenotypes were compared between cohorts. Associations with asthma, atopy, BHR, and lung function were analyzed by using weighted regression analyses.The model with the best fit to PIAMA data in the first 8 years of life was a 5-class model. Phenotypes identified in the PIAMA study had wheezing patterns that were similar to those previously reported in ALSPAC, adding further evidence to the existence of an intermediate-onset phenotype with onset of wheeze after 2 years of age. Associations with asthma, atopy, BHR, and lung function were remarkably similar in the 2 cohorts.Wheezing phenotypes identified by using longitudinal latent class analysis were comparable in 2 large birth cohorts. Study of genetic and environmental factors associated with different phenotypes may help elucidate the origins of asthma.

Asthma exacerbations are a serious public health concern due to high healthcare resource utilization, work/school productivity loss, impact on quality of life, and risk of mortality. The genetic basis of asthma exacerbations has been studied in several populations, but no prior study has performed a multi-ancestry meta-analysis of genome-wide association studies (meta-GWAS) for this trait. We aimed to identify common genetic loci associated with asthma exacerbations across diverse populations and to assess their functional role in regulating DNA methylation and gene expression.A meta-GWAS of asthma exacerbations in 4989 Europeans, 2181 Hispanics/Latinos, 1250 Singaporean Chinese, and 972 African Americans analyzed 9.6 million genetic variants. Suggestively associated variants (p ≤ 5 × 10-5 ) were assessed for replication in 36,477 European and 1078 non-European asthma patients. Functional effects on DNA methylation were assessed in 595 Hispanic/Latino and African American asthma patients and in publicly available databases. The effect on gene expression was evaluated in silico.One hundred and twenty-six independent variants were suggestively associated with asthma exacerbations in the discovery phase. Two variants independently replicated: rs12091010 located at vascular cell adhesion molecule-1/exostosin like glycosyltransferase-2 (VCAM1/EXTL2) (discovery: odds ratio (ORT allele ) = 0.82, p = 9.05 × 10-6 and replication: ORT allele = 0.89, p = 5.35 × 10-3 ) and rs943126 from pantothenate kinase 1 (PANK1) (discovery: ORC allele = 0.85, p = 3.10 × 10-5 and replication: ORC allele = 0.89, p = 1.30 × 10-2 ). Both variants regulate gene expression of genes where they locate and DNA methylation levels of nearby genes in whole blood.This multi-ancestry study revealed novel suggestive regulatory loci for asthma exacerbations located in genomic regions participating in inflammation and host defense.

Asthma heritability has only been partially explained by genetic variants and is known to be sensitive to environmental factors, implicating epigenetic modifications such as DNA methylation in its pathogenesis. Using data collected in the Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC), we assessed associations of asthma and wheeze with DNA methylation at 7.5 years and 16.5 years, at over 450,000 CpG sites in DNA from the peripheral blood of approx. 1000 participants. We used Mendelian randomization (MR), a method of causal inference that uses genetic variants as instrumental variables, to infer the direction of association between DNA methylation and asthma. We identified 302 CpGs associated with current asthma status (FDR-adjusted P-value <0.05) and 445 with current wheeze status at 7.5 years, with substantial overlap between the two. Genes annotated to the 302 associated CpGs were enriched for pathways related to movement of cellular/subcellular components, locomotion, interleukin-4 production and eosinophil migration. All associations attenuated when adjusted for eosinophil and neutrophil cell count estimates. At 16.5 years, two sites were associated with current asthma after adjustment for cell counts. The CpGs mapped to the AP2A2 and IL5RA genes, with a -2.32 [95% CI -1.47,-3.18] and -2.49 [95% CI -1.56,-3.43] change in percentage methylation in asthma cases respectively. Two-sample bi-directional MR indicated a causal effect of asthma on DNA methylation at several CpG sites at 7.5 years. However, associations did not persist after adjustment for multiple testing. There was no evidence of a causal effect of asthma on DNA methylation at either of the two CpG sites at 16.5 years. The majority of observed associations are driven by higher eosinophil cell counts in asthma cases, acting as an intermediate phenotype, with important implications for future studies of DNA methylation in atopic diseases.

Adult lung function is highly heritable and 279 genetic loci were recently reported as associated with spirometry-based measures of lung function. Though lung development and function differ between males and females throughout life, there has been no genome-wide study to identify genetic variants with differential effects on lung function in males and females. Here, we present the first genome-wide genotype-by-sex interaction study on four lung function traits in 303,612 participants from the UK Biobank. We detected five SNPs showing genome-wide significant (P<5 x 10-8) interactions with sex on lung function, as well as 21 suggestively significant interactions (P<1 x 10-6). The strongest sex interaction signal came from rs7697189 at 4:145436894 on forced expiratory volume in 1 second (FEV1) (P = 3.15 x 10-15), and was replicated (P = 0.016) in 75,696 individuals in the SpiroMeta consortium. Sex-stratified analyses demonstrated that the minor (C) allele of rs7697189 increased lung function to a greater extent in males than females (untransformed FEV1 β = 0.028 [SE 0.0022] litres in males vs β = 0.009 [SE 0.0014] litres in females), and this effect was not accounted for by differential effects on height, smoking or age at puberty. This SNP resides upstream of the gene encoding hedgehog-interacting protein (HHIP) and has previously been reported for association with lung function and HHIP expression in lung tissue. In our analyses, while HHIP expression in lung tissue was significantly different between the sexes with females having higher expression (most significant probeset P=6.90 x 10-6) after adjusting for age and smoking, rs7697189 did not demonstrate sex differential effects on expression. Establishing the mechanism by which HHIP SNPs have different effects on lung function in males and females will be important for our understanding of lung health and diseases, such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD), in both sexes.