Obesity is a highly heritable disorder but the genetic associations reported to date account for only a small percentage of the inherited variation in body mass index. Two groups report deletions on chromosome16p11.2 that may explain part of the 'missing heritability' in terms of 'high-penetrance' mutations that are rare but when present are very often associated with severe obesity. This is in contrast to more common gene defects that are less closely associated with clinical symptoms. Bochukova et al. identified rare recurrent copy number variants in 300 patients with severe early-onset obesity, caused by deletions involving several genes including SH2B1, known to be involved in leptin and insulin signalling. Many of the patients also suffered neurodevelopmental disorders. Walters et al. identified deletions of at least 593 kilobases on chromosome 16p11.2 in 31 patients with a previously unrecognized type of extreme obesity. The strategy they used to identify the lesion — using small well-phenotyped cohorts of extreme phenotypes with targeted follow-up in genome-wide association studies and population cohorts — shows promise as a means of identifying 'missing heritability' in complex metabolic diseases more generally. Recently, numerous single nucleotide polymorphisms have been identified as being associated with obesity, but these loci together account for only a small fraction of the known heritable component. Here, an association is reported between rare deletions of at least 593 kilobases at 16p11.2 and a highly penetrant form of obesity. The strategy used of combining study of extreme phenotypes with targeted follow-up is promising for identifying missing heritability in obesity. Obesity has become a major worldwide challenge to public health, owing to an interaction between the Western ‘obesogenic’ environment and a strong genetic contribution1. Recent extensive genome-wide association studies (GWASs) have identified numerous single nucleotide polymorphisms associated with obesity, but these loci together account for only a small fraction of the known heritable component1. Thus, the ‘common disease, common variant’ hypothesis is increasingly coming under challenge2. Here we report a highly penetrant form of obesity, initially observed in 31 subjects who were heterozygous for deletions of at least 593 kilobases at 16p11.2 and whose ascertainment included cognitive deficits. Nineteen similar deletions were identified from GWAS data in 16,053 individuals from eight European cohorts. These deletions were absent from healthy non-obese controls and accounted for 0.7% of our morbid obesity cases (body mass index (BMI) ≥ 40 kg m-2 or BMI standard deviation score ≥ 4; P = 6.4 × 10-8, odds ratio 43.0), demonstrating the potential importance in common disease of rare variants with strong effects. This highlights a promising strategy for identifying missing heritability in obesity and other complex traits: cohorts with extreme phenotypes are likely to be enriched for rare variants, thereby improving power for their discovery. Subsequent analysis of the loci so identified may well reveal additional rare variants that further contribute to the missing heritability, as recently reported for SIM1 (ref. 3). The most productive approach may therefore be to combine the ‘power of the extreme’4 in small, well-phenotyped cohorts, with targeted follow-up in case-control and population cohorts.

Background

 The recurrent ∼600 kb 16p11.2 BP4-BP5 deletion is among the most frequent known genetic aetiologies of autism spectrum disorder (ASD) and related neurodevelopmental disorders. 

Objective

 To define the medical, neuropsychological, and behavioural phenotypes in carriers of this deletion. 

Methods

 We collected clinical data on 285 deletion carriers and performed detailed evaluations on 72 carriers and 68 intrafamilial non-carrier controls. 

Results

 When compared to intrafamilial controls, full scale intelligence quotient (FSIQ) is two standard deviations lower in carriers, and there is no difference between carriers referred for neurodevelopmental disorders and carriers identified through cascade family testing. Verbal IQ (mean 74) is lower than non-verbal IQ (mean 83) and a majority of carriers require speech therapy. Over 80% of individuals exhibit psychiatric disorders including ASD, which is present in 15% of the paediatric carriers. Increase in head circumference (HC) during infancy is similar to the HC and brain growth patterns observed in idiopathic ASD. Obesity, a major comorbidity present in 50% of the carriers by the age of 7 years, does not correlate with FSIQ or any behavioural trait. Seizures are present in 24% of carriers and occur independently of other symptoms. Malformations are infrequently found, confirming only a few of the previously reported associations. 

Conclusions

 The 16p11.2 deletion impacts in a quantitative and independent manner FSIQ, behaviour and body mass index, possibly through direct influences on neural circuitry. Although non-specific, these features are clinically significant and reproducible. Lastly, this study demonstrates the necessity of studying large patient cohorts ascertained through multiple methods to characterise the clinical consequences of rare variants involved in common diseases.

The 16p11.2 BP4-BP5 duplication is the copy number variant most frequently associated with autism spectrum disorder (ASD), schizophrenia, and comorbidities such as decreased body mass index (BMI).To characterize the effects of the 16p11.2 duplication on cognitive, behavioral, medical, and anthropometric traits and to understand the specificity of these effects by systematically comparing results in duplication carriers and reciprocal deletion carriers, who are also at risk for ASD.This international cohort study of 1006 study participants compared 270 duplication carriers with their 102 intrafamilial control individuals, 390 reciprocal deletion carriers, and 244 deletion controls from European and North American cohorts. Data were collected from August 1, 2010, to May 31, 2015 and analyzed from January 1 to August 14, 2015. Linear mixed models were used to estimate the effect of the duplication and deletion on clinical traits by comparison with noncarrier relatives.Findings on the Full-Scale IQ (FSIQ), Nonverbal IQ, and Verbal IQ; the presence of ASD or other DSM-IV diagnoses; BMI; head circumference; and medical data.Among the 1006 study participants, the duplication was associated with a mean FSIQ score that was lower by 26.3 points between proband carriers and noncarrier relatives and a lower mean FSIQ score (16.2-11.4 points) in nonproband carriers. The mean overall effect of the deletion was similar (-22.1 points; P < .001). However, broad variation in FSIQ was found, with a 19.4- and 2.0-fold increase in the proportion of FSIQ scores that were very low (≤40) and higher than the mean (>100) compared with the deletion group (P < .001). Parental FSIQ predicted part of this variation (approximately 36.0% in hereditary probands). Although the frequency of ASD was similar in deletion and duplication proband carriers (16.0% and 20.0%, respectively), the FSIQ was significantly lower (by 26.3 points) in the duplication probands with ASD. There also were lower head circumference and BMI measurements among duplication carriers, which is consistent with the findings of previous studies.The mean effect of the duplication on cognition is similar to that of the reciprocal deletion, but the variance in the duplication is significantly higher, with severe and mild subgroups not observed with the deletion. These results suggest that additional genetic and familial factors contribute to this variability. Additional studies will be necessary to characterize the predictors of cognitive deficits.