Abstract In experimental animals, maternal diet during the periconceptional period influences the establishment of DNA methylation at metastable epialleles in the offspring, with permanent phenotypic consequences. Pronounced naturally occurring seasonal differences in the diet of rural Gambian women allowed us to test this in humans. We show that significant seasonal variations in methyl-donor nutrient intake of mothers around the time of conception influence 13 relevant plasma biomarkers. The level of several of these maternal biomarkers predicts increased/decreased methylation at metastable epialleles in DNA extracted from lymphocytes and hair follicles in infants postnatally. Our results demonstrate that maternal nutritional status during early pregnancy causes persistent and systemic epigenetic changes at human metastable epialleles.

Throughout most of the mammalian genome, genetically regulated developmental programming establishes diverse yet predictable epigenetic states across differentiated cells and tissues. At metastable epialleles (MEs), conversely, epigenotype is established stochastically in the early embryo then maintained in differentiated lineages, resulting in dramatic and systemic interindividual variation in epigenetic regulation. In the mouse, maternal nutrition affects this process, with permanent phenotypic consequences for the offspring. MEs have not previously been identified in humans. Here, using an innovative 2-tissue parallel epigenomic screen, we identified putative MEs in the human genome. In autopsy samples, we showed that DNA methylation at these loci is highly correlated across tissues representing all 3 embryonic germ layer lineages. Monozygotic twin pairs exhibited substantial discordance in DNA methylation at these loci, suggesting that their epigenetic state is established stochastically. We then tested for persistent epigenetic effects of periconceptional nutrition in rural Gambians, who experience dramatic seasonal fluctuations in nutritional status. DNA methylation at MEs was elevated in individuals conceived during the nutritionally challenged rainy season, providing the first evidence of a permanent, systemic effect of periconceptional environment on human epigenotype. At MEs, epigenetic regulation in internal organs and tissues varies among individuals and can be deduced from peripheral blood DNA. MEs should therefore facilitate an improved understanding of the role of interindividual epigenetic variation in human disease.

Abstract Genetic variants can modulate phenotypic outcomes via epigenetic intermediates, for example by affecting DNA methylation at CpG dinucleotides (methylation quantitative trait loci – mQTL). Here, we present the first large-scale assessment of mQTL at human genomic regions selected for interindividual variation in CpG methylation (correlated regions of systemic interindividual variation – CoRSIVs). We used target-capture bisulfite sequencing to assess DNA methylation at 4,086 CoRSIVs in multiple tissues from 188 donors in the NIH Genotype-Tissue Expression (GTEx) program (807 samples total). At CoRSIVs, as expected, DNA methylation in peripheral blood correlates with methylation and gene expression in internal organs. We also discovered unprecedented mQTL at these regions. Genetic influences on CoRSIV methylation are extremely strong (median R 2 =0.76), cumulatively comprising over 70-fold more human mQTL than detected in the most powerful previous study. Moreover, mQTL beta coefficients at CoRSIVs are highly skewed (i.e., the major allele predicts higher methylation). Both surprising findings were independently validated in a cohort of 47 non-GTEx individuals. Genomic regions flanking CoRSIVs show long-range enrichments for LINE-1 and LTR transposable elements; the skewed beta coefficients may therefore reflect evolutionary selection of genetic variants that promote their methylation and silencing. Analyses of GWAS summary statistics show that mQTL polymorphisms at CoRSIVs are associated with metabolic and other classes of disease. A focus on systemic interindividual epigenetic variants, clearly enhanced in mQTL content, should likewise benefit studies attempting to link human epigenetic variation to risk of disease. Our CoRSIV-capture reagents are commercially available from Agilent Technologies, Inc. Significance Statement Population epigeneticists have relied almost exclusively on CpG methylation arrays manufactured by Illumina. At most of the >400,000 CpG sites covered by those arrays, however, methylation does not vary appreciably between individuals. We previously identified genomic loci that exhibit systemic (i.e. not tissue-specific) interindividual variation in DNA methylation (CoRSIVs). These can be assayed in blood DNA and, unlike tissue-specific epigenetic variants, do not reflect interindividual variation in cellular composition. Here, studying just 4,086 CoRSIVs in multiple tissues of 188 individuals, we detect much stronger genetic influences on DNA methylation (mQTL) than ever before reported. Because interindividual epigenetic variation is essential for not only mQTL detection, but also for epigenetic epidemiology, our results indicate a major opportunity to advance this field.