The power of the latest massively parallel synthetic DNA sequencing technologies is demonstrated in two major collaborations that shed light on the nature of genomic variation with ethnicity. The first describes the genomic characterization of an individual from the Yoruba ethnic group of west Africa. The second reports a personal genome of a Han Chinese, the group comprising 30% of the world's population. These new resources can now be used in conjunction with the Venter, Watson and NIH reference sequences. A separate study looked at genetic ethnicity on the continental scale, based on data from 1,387 individuals from more than 30 European countries. Overall there was little genetic variation between countries, but the differences that do exist correspond closely to the geographic map. Statistical analysis of the genome data places 50% of the individuals within 310 km of their reported origin. As well as its relevance for testing genetic ancestry, this work has implications for evaluating genome-wide association studies that link genes with diseases. Understanding the genetic structure of human populations is of fundamental interest to medical, forensic and anthropological sciences. Advances in high-throughput genotyping technology have markedly improved our understanding of global patterns of human genetic variation and suggest the potential to use large samples to uncover variation among closely spaced populations1,2,3,4,5. Here we characterize genetic variation in a sample of 3,000 European individuals genotyped at over half a million variable DNA sites in the human genome. Despite low average levels of genetic differentiation among Europeans, we find a close correspondence between genetic and geographic distances; indeed, a geographical map of Europe arises naturally as an efficient two-dimensional summary of genetic variation in Europeans. The results emphasize that when mapping the genetic basis of a disease phenotype, spurious associations can arise if genetic structure is not properly accounted for. In addition, the results are relevant to the prospects of genetic ancestry testing6; an individual’s DNA can be used to infer their geographic origin with surprising accuracy—often to within a few hundred kilometres.

Background & AimsHepatitis C virus (HCV) induces chronic infection in 50% to 80% of infected persons; approximately 50% of these do not respond to therapy. We performed a genome-wide association study to screen for host genetic determinants of HCV persistence and response to therapy.MethodsThe analysis included 1362 individuals: 1015 with chronic hepatitis C and 347 who spontaneously cleared the virus (448 were coinfected with human immunodeficiency virus [HIV]). Responses to pegylated interferon alfa and ribavirin were assessed in 465 individuals. Associations between more than 500,000 single nucleotide polymorphisms (SNPs) and outcomes were assessed by multivariate logistic regression.ResultsChronic hepatitis C was associated with SNPs in the IL28B locus, which encodes the antiviral cytokine interferon lambda. The rs8099917 minor allele was associated with progression to chronic HCV infection (odds ratio [OR], 2.31; 95% confidence interval [CI], 1.74–3.06; P = 6.07 × 10−9). The association was observed in HCV mono-infected (OR, 2.49; 95% CI, 1.64–3.79; P = 1.96 × 10−5) and HCV/HIV coinfected individuals (OR, 2.16; 95% CI, 1.47–3.18; P = 8.24 × 10−5). rs8099917 was also associated with failure to respond to therapy (OR, 5.19; 95% CI, 2.90–9.30; P = 3.11 × 10−8), with the strongest effects in patients with HCV genotype 1 or 4. This risk allele was identified in 24% of individuals with spontaneous HCV clearance, 32% of chronically infected patients who responded to therapy, and 58% who did not respond (P = 3.2 × 10−10). Resequencing of IL28B identified distinct haplotypes that were associated with the clinical phenotype.ConclusionsThe association of the IL28B locus with natural and treatment-associated control of HCV indicates the importance of innate immunity and interferon lambda in the pathogenesis of HCV infection. Hepatitis C virus (HCV) induces chronic infection in 50% to 80% of infected persons; approximately 50% of these do not respond to therapy. We performed a genome-wide association study to screen for host genetic determinants of HCV persistence and response to therapy. The analysis included 1362 individuals: 1015 with chronic hepatitis C and 347 who spontaneously cleared the virus (448 were coinfected with human immunodeficiency virus [HIV]). Responses to pegylated interferon alfa and ribavirin were assessed in 465 individuals. Associations between more than 500,000 single nucleotide polymorphisms (SNPs) and outcomes were assessed by multivariate logistic regression. Chronic hepatitis C was associated with SNPs in the IL28B locus, which encodes the antiviral cytokine interferon lambda. The rs8099917 minor allele was associated with progression to chronic HCV infection (odds ratio [OR], 2.31; 95% confidence interval [CI], 1.74–3.06; P = 6.07 × 10−9). The association was observed in HCV mono-infected (OR, 2.49; 95% CI, 1.64–3.79; P = 1.96 × 10−5) and HCV/HIV coinfected individuals (OR, 2.16; 95% CI, 1.47–3.18; P = 8.24 × 10−5). rs8099917 was also associated with failure to respond to therapy (OR, 5.19; 95% CI, 2.90–9.30; P = 3.11 × 10−8), with the strongest effects in patients with HCV genotype 1 or 4. This risk allele was identified in 24% of individuals with spontaneous HCV clearance, 32% of chronically infected patients who responded to therapy, and 58% who did not respond (P = 3.2 × 10−10). Resequencing of IL28B identified distinct haplotypes that were associated with the clinical phenotype. The association of the IL28B locus with natural and treatment-associated control of HCV indicates the importance of innate immunity and interferon lambda in the pathogenesis of HCV infection.

Cecilia Lindgren and colleagues report results of a large-scale genome-wide association study for waist-to-hip ratio, a measure of body fat distribution. They identify 13 new loci associated with this trait, several of which show stronger effects in women than in men. Waist-hip ratio (WHR) is a measure of body fat distribution and a predictor of metabolic consequences independent of overall adiposity. WHR is heritable, but few genetic variants influencing this trait have been identified. We conducted a meta-analysis of 32 genome-wide association studies for WHR adjusted for body mass index (comprising up to 77,167 participants), following up 16 loci in an additional 29 studies (comprising up to 113,636 subjects). We identified 13 new loci in or near RSPO3, VEGFA, TBX15-WARS2, NFE2L3, GRB14, DNM3-PIGC, ITPR2-SSPN, LY86, HOXC13, ADAMTS9, ZNRF3-KREMEN1, NISCH-STAB1 and CPEB4 (P = 1.9 × 10−9 to P = 1.8 × 10−40) and the known signal at LYPLAL1. Seven of these loci exhibited marked sexual dimorphism, all with a stronger effect on WHR in women than men (P for sex difference = 1.9 × 10−3 to P = 1.2 × 10−13). These findings provide evidence for multiple loci that modulate body fat distribution independent of overall adiposity and reveal strong gene-by-sex interactions.

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.

Erik Ingelsson and colleagues report a large-scale genome-wide meta-analysis for associations to the extremes of anthropometric traits, including body mass index, height, waist-to-hip ratio and clinical obesity. They identify four loci newly associated with height and seven loci newly associated with clinical obesity and find overlap in the genetic structure and distribution of variants identified for these extremes of the trait distributions and for the general population. Approaches exploiting trait distribution extremes may be used to identify loci associated with common traits, but it is unknown whether these loci are generalizable to the broader population. In a genome-wide search for loci associated with the upper versus the lower 5th percentiles of body mass index, height and waist-to-hip ratio, as well as clinical classes of obesity, including up to 263,407 individuals of European ancestry, we identified 4 new loci (IGFBP4, H6PD, RSRC1 and PPP2R2A) influencing height detected in the distribution tails and 7 new loci (HNF4G, RPTOR, GNAT2, MRPS33P4, ADCY9, HS6ST3 and ZZZ3) for clinical classes of obesity. Further, we find a large overlap in genetic structure and the distribution of variants between traits based on extremes and the general population and little etiological heterogeneity between obesity subgroups.

A protocol providing guidelines on the organizational aspects of genome-wide association meta-analyses and to implement quality control at the study file level, the meta-level across studies, and the meta-analysis output level. Rigorous organization and quality control (QC) are necessary to facilitate successful genome-wide association meta-analyses (GWAMAs) of statistics aggregated across multiple genome-wide association studies. This protocol provides guidelines for (i) organizational aspects of GWAMAs, and for (ii) QC at the study file level, the meta-level across studies and the meta-analysis output level. Real-world examples highlight issues experienced and solutions developed by the GIANT Consortium that has conducted meta-analyses including data from 125 studies comprising more than 330,000 individuals. We provide a general protocol for conducting GWAMAs and carrying out QC to minimize errors and to guarantee maximum use of the data. We also include details for the use of a powerful and flexible software package called EasyQC. Precise timings will be greatly influenced by consortium size. For consortia of comparable size to the GIANT Consortium, this protocol takes a minimum of about 10 months to complete.

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.

Given the anthropometric differences between men and women and previous evidence of sex-difference in genetic effects, we conducted a genome-wide search for sexually dimorphic associations with height, weight, body mass index, waist circumference, hip circumference, and waist-to-hip-ratio (133,723 individuals) and took forward 348 SNPs into follow-up (additional 137,052 individuals) in a total of 94 studies. Seven loci displayed significant sex-difference (FDR<5%), including four previously established (near GRB14/COBLL1, LYPLAL1/SLC30A10, VEGFA, ADAMTS9) and three novel anthropometric trait loci (near MAP3K1, HSD17B4, PPARG), all of which were genome-wide significant in women (P<5×10−8), but not in men. Sex-differences were apparent only for waist phenotypes, not for height, weight, BMI, or hip circumference. Moreover, we found no evidence for genetic effects with opposite directions in men versus women. The PPARG locus is of specific interest due to its role in diabetes genetics and therapy. Our results demonstrate the value of sex-specific GWAS to unravel the sexually dimorphic genetic underpinning of complex traits.