Underweight and obese phenotypes can both pose health risks. But whereas obesity has been associated with a number of genetic variants, little is known about the genetic basis of underweight. A large-scale screen of data from 28 cytogenetic centres in Europe and North America now shows that being underweight is frequently associated with duplication of a short region on chromosome 16. Deletion of this same chromosomal region has previously been associated with obesity. The observed associated phenotypes are opposites, or mirrors, of those reported in carriers of deletions at this locus, and correlate with changes in transcript levels for genes within the duplication but not within the adjacent regions. The suggestion is that severe obesity and being underweight could have mirror etiologies, possibly through contrasting effects on energy balance. Both obesity and being underweight have been associated with increased mortality1,2. Underweight, defined as a body mass index (BMI) ≤ 18.5 kg per m2 in adults and ≤ −2 standard deviations from the mean in children, is the main sign of a series of heterogeneous clinical conditions including failure to thrive3,4,5, feeding and eating disorder and/or anorexia nervosa6,7. In contrast to obesity, few genetic variants underlying these clinical conditions have been reported8,9. We previously showed that hemizygosity of a ∼600-kilobase (kb) region on the short arm of chromosome 16 causes a highly penetrant form of obesity that is often associated with hyperphagia and intellectual disabilities10. Here we show that the corresponding reciprocal duplication is associated with being underweight. We identified 138 duplication carriers (including 132 novel cases and 108 unrelated carriers) from individuals clinically referred for developmental or intellectual disabilities (DD/ID) or psychiatric disorders, or recruited from population-based cohorts. These carriers show significantly reduced postnatal weight and BMI. Half of the boys younger than five years are underweight with a probable diagnosis of failure to thrive, whereas adult duplication carriers have an 8.3-fold increased risk of being clinically underweight. We observe a trend towards increased severity in males, as well as a depletion of male carriers among non-medically ascertained cases. These features are associated with an unusually high frequency of selective and restrictive eating behaviours and a significant reduction in head circumference. Each of the observed phenotypes is the converse of one reported in carriers of deletions at this locus. The phenotypes correlate with changes in transcript levels for genes mapping within the duplication but not in flanking regions. The reciprocal impact of these 16p11.2 copy-number variants indicates that severe obesity and being underweight could have mirror aetiologies, possibly through contrasting effects on energy balance.

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.