Extensive epidemiologic studies have suggested that adult disease risk is associated with adverse environmental conditions early in development. Although the mechanisms behind these relationships are unclear, an involvement of epigenetic dysregulation has been hypothesized. Here we show that individuals who were prenatally exposed to famine during the Dutch Hunger Winter in 1944–45 had, 6 decades later, less DNA methylation of the imprinted IGF2 gene compared with their unexposed, same-sex siblings. The association was specific for periconceptional exposure, reinforcing that very early mammalian development is a crucial period for establishing and maintaining epigenetic marks. These data are the first to contribute empirical support for the hypothesis that early-life environmental conditions can cause epigenetic changes in humans that persist throughout life.

Jonathan Marchini, Gonçalo Abecasis, Richard Durbin and colleagues describe the construction of a reference panel of human haplotypes from whole-genome sequencing data. They are able to use this to accurately impute genotypes at low minor allele frequency and present remote server resources for use by the community. We describe a reference panel of 64,976 human haplotypes at 39,235,157 SNPs constructed using whole-genome sequence data from 20 studies of predominantly European ancestry. Using this resource leads to accurate genotype imputation at minor allele frequencies as low as 0.1% and a large increase in the number of SNPs tested in association studies, and it can help to discover and refine causal loci. We describe remote server resources that allow researchers to carry out imputation and phasing consistently and efficiently.

Prenatal famine in humans has been associated with various later-life consequences, depending on the gestational timing of the insult and the sex of the exposed individual. Epigenetic mechanisms have been proposed to underlie these associations. Indeed, animal studies and our early human data on the imprinted IGF2 locus indicated a link between prenatal nutritional and DNA methylation. However, it remains unclear how common changes in DNA methylation are and whether they are sex- and timing-specific paralleling the later-life consequences of prenatal famine exposure. To this end, we investigated the methylation of 15 loci implicated in growth and metabolic disease in individuals who were prenatally exposed to a war-time famine in 1944–45. Methylation of INSIGF was lower among individuals who were periconceptionally exposed to the famine ( n = 60) compared with their unexposed same-sex siblings ( P = 2 × 10 −5 ), whereas methylation of IL10 , LEP , ABCA1 , GNASAS and MEG3 was higher (all P < 10 −3 ). A significant interaction with sex was observed for INSIGF , LEP and GNASAS . Next, methylation of eight representative loci was compared between 62 individuals exposed late in gestation and their unexposed siblings. Methylation was different for GNASAS ( P = 1.1 × 10 −7 ) and, in men, LEP ( P = 0.017). Our data indicate that persistent changes in DNA methylation may be a common consequence of prenatal famine exposure and that these changes depend on the sex of the exposed individual and the gestational timing of the exposure.

The contribution of rare and low-frequency variants to human traits is largely unexplored. Here we describe insights from sequencing whole genomes (low read depth, 7×) or exomes (high read depth, 80×) of nearly 10,000 individuals from population-based and disease collections. In extensively phenotyped cohorts we characterize over 24 million novel sequence variants, generate a highly accurate imputation reference panel and identify novel alleles associated with levels of triglycerides (APOB), adiponectin (ADIPOQ) and low-density lipoprotein cholesterol (LDLR and RGAG1) from single-marker and rare variant aggregation tests. We describe population structure and functional annotation of rare and low-frequency variants, use the data to estimate the benefits of sequencing for association studies, and summarize lessons from disease-specific collections. Finally, we make available an extensive resource, including individual-level genetic and phenotypic data and web-based tools to facilitate the exploration of association results.

Nilesh Samani and colleagues report a meta-analysis of genome-wide association studies for mean leukocyte telomere length in 37,684 individuals, with replication of selected variants in an additional 10,739 individuals. They identify seven loci associated with mean telomere length, including two that have been associated with several cancers, and also find that alleles associated with shorter telomere length were associated with a higher risk of coronary artery disease. Interindividual variation in mean leukocyte telomere length (LTL) is associated with cancer and several age-associated diseases. We report here a genome-wide meta-analysis of 37,684 individuals with replication of selected variants in an additional 10,739 individuals. We identified seven loci, including five new loci, associated with mean LTL (P < 5 × 10−8). Five of the loci contain candidate genes (TERC, TERT, NAF1, OBFC1 and RTEL1) that are known to be involved in telomere biology. Lead SNPs at two loci (TERC and TERT) associate with several cancers and other diseases, including idiopathic pulmonary fibrosis. Moreover, a genetic risk score analysis combining lead variants at all 7 loci in 22,233 coronary artery disease cases and 64,762 controls showed an association of the alleles associated with shorter LTL with increased risk of coronary artery disease (21% (95% confidence interval, 5–35%) per standard deviation in LTL, P = 0.014). Our findings support a causal role of telomere-length variation in some age-related diseases.

Trait-associated genetic variants affect complex phenotypes primarily via regulatory mechanisms on the transcriptome. To investigate the genetics of gene expression, we performed cis- and trans-expression quantitative trait locus (eQTL) analyses using blood-derived expression from 31,684 individuals through the eQTLGen Consortium. We detected cis-eQTL for 88% of genes, and these were replicable in numerous tissues. Distal trans-eQTL (detected for 37% of 10,317 trait-associated variants tested) showed lower replication rates, partially due to low replication power and confounding by cell type composition. However, replication analyses in single-cell RNA-seq data prioritized intracellular trans-eQTL. Trans-eQTL exerted their effects via several mechanisms, primarily through regulation by transcription factors. Expression of 13% of the genes correlated with polygenic scores for 1,263 phenotypes, pinpointing potential drivers for those traits. In summary, this work represents a large eQTL resource, and its results serve as a starting point for in-depth interpretation of complex phenotypes. Analyses of expression profiles from whole blood of 31,684 individuals identify cis-expression quantitative trait loci (eQTL) effects for 88% of genes and trans-eQTL effects for 37% of trait-associated variants.

Retrotransposable elements are deleterious at many levels, and the failure of host surveillance systems for these elements can thus have negative consequences. However, the contribution of retrotransposon activity to ageing and age-associated diseases is not known. Here we show that during cellular senescence, L1 (also known as LINE-1) retrotransposable elements become transcriptionally derepressed and activate a type-I interferon (IFN-I) response. The IFN-I response is a phenotype of late senescence and contributes to the maintenance of the senescence-associated secretory phenotype. The IFN-I response is triggered by cytoplasmic L1 cDNA, and is antagonized by inhibitors of the L1 reverse transcriptase. Treatment of aged mice with the nucleoside reverse transcriptase inhibitor lamivudine downregulated IFN-I activation and age-associated inflammation (inflammaging) in several tissues. We propose that the activation of retrotransposons is an important component of sterile inflammation that is a hallmark of ageing, and that L1 reverse transcriptase is a relevant target for the treatment of age-associated disorders. During cellular senescence in human and mouse cells, L1 transposons become transcriptionally derepressed and trigger a type-1 interferon response, which contributes to age-associated inflammation and age-related phenotypes.

Approximately 1.5 billion people worldwide are overweight or affected by obesity, and are at risk of developing type 2 diabetes, cardiovascular disease and related metabolic and inflammatory disturbances. Although the mechanisms linking adiposity to associated clinical conditions are poorly understood, recent studies suggest that adiposity may influence DNA methylation, a key regulator of gene expression and molecular phenotype. Here we use epigenome-wide association to show that body mass index (BMI; a key measure of adiposity) is associated with widespread changes in DNA methylation (187 genetic loci with P < 1 × 10-7, range P = 9.2 × 10-8 to 6.0 × 10-46; n = 10,261 samples). Genetic association analyses demonstrate that the alterations in DNA methylation are predominantly the consequence of adiposity, rather than the cause. We find that methylation loci are enriched for functional genomic features in multiple tissues (P < 0.05), and show that sentinel methylation markers identify gene expression signatures at 38 loci (P < 9.0 × 10-6, range P = 5.5 × 10-6 to 6.1 × 10-35, n = 1,785 samples). The methylation loci identify genes involved in lipid and lipoprotein metabolism, substrate transport and inflammatory pathways. Finally, we show that the disturbances in DNA methylation predict future development of type 2 diabetes (relative risk per 1 standard deviation increase in methylation risk score: 2.3 (2.07-2.56); P = 1.1 × 10-54). Our results provide new insights into the biologic pathways influenced by adiposity, and may enable development of new strategies for prediction and prevention of type 2 diabetes and other adverse clinical consequences of obesity.

Paul de Bakker, Cisca Wijmenga and colleagues report on The Genome of the Netherlands Project, including whole-genome sequencing of 769 individuals of Dutch ancestry from 250 parent-offspring families and construction of a phased haplotype map. Their intermediate-coverage population sequencing data set provides a complementary resource to other publicly available data sets, including the 1000 Genomes Project. Whole-genome sequencing enables complete characterization of genetic variation, but geographic clustering of rare alleles demands many diverse populations be studied. Here we describe the Genome of the Netherlands (GoNL) Project, in which we sequenced the whole genomes of 250 Dutch parent-offspring families and constructed a haplotype map of 20.4 million single-nucleotide variants and 1.2 million insertions and deletions. The intermediate coverage (∼13×) and trio design enabled extensive characterization of structural variation, including midsize events (30–500 bp) previously poorly catalogued and de novo mutations. We demonstrate that the quality of the haplotypes boosts imputation accuracy in independent samples, especially for lower frequency alleles. Population genetic analyses demonstrate fine-scale structure across the country and support multiple ancient migrations, consistent with historical changes in sea level and flooding. The GoNL Project illustrates how single-population whole-genome sequencing can provide detailed characterization of genetic variation and may guide the design of future population studies.

Genome-wide association studies have identified numerous loci linked with complex diseases, for which the molecular mechanisms remain largely unclear. Comprehensive molecular profiling of circulating metabolites captures highly heritable traits, which can help to uncover metabolic pathophysiology underlying established disease variants. We conduct an extended genome-wide association study of genetic influences on 123 circulating metabolic traits quantified by nuclear magnetic resonance metabolomics from up to 24,925 individuals and identify eight novel loci for amino acids, pyruvate and fatty acids. The LPA locus link with cardiovascular risk exemplifies how detailed metabolic profiling may inform underlying aetiology via extensive associations with very-low-density lipoprotein and triglyceride metabolism. Genetic fine mapping and Mendelian randomization uncover wide-spread causal effects of lipoprotein(a) on overall lipoprotein metabolism and we assess potential pleiotropic consequences of genetically elevated lipoprotein(a) on diverse morbidities via electronic health-care records. Our findings strengthen the argument for safe LPA-targeted intervention to reduce cardiovascular risk.