Abstract The Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) programme seeks to elucidate the genetic architecture and biology of heart, lung, blood and sleep disorders, with the ultimate goal of improving diagnosis, treatment and prevention of these diseases. The initial phases of the programme focused on whole-genome sequencing of individuals with rich phenotypic data and diverse backgrounds. Here we describe the TOPMed goals and design as well as the available resources and early insights obtained from the sequence data. The resources include a variant browser, a genotype imputation server, and genomic and phenotypic data that are available through dbGaP (Database of Genotypes and Phenotypes) 1 . In the first 53,831 TOPMed samples, we detected more than 400 million single-nucleotide and insertion or deletion variants after alignment with the reference genome. Additional previously undescribed variants were detected through assembly of unmapped reads and customized analysis in highly variable loci. Among the more than 400 million detected variants, 97% have frequencies of less than 1% and 46% are singletons that are present in only one individual (53% among unrelated individuals). These rare variants provide insights into mutational processes and recent human evolutionary history. The extensive catalogue of genetic variation in TOPMed studies provides unique opportunities for exploring the contributions of rare and noncoding sequence variants to phenotypic variation. Furthermore, combining TOPMed haplotypes with modern imputation methods improves the power and reach of genome-wide association studies to include variants down to a frequency of approximately 0.01%.

Peter Visscher and colleagues report an analysis to partition the genetic variation for several complex traits onto chromosome segments and find that the variation explained is approximately proportional to the total length of genes included within a chromosome segment. They estimate that ~45%, ~17%, ~25% and ~21% of the phenotypic variation, respectively, for height, body mass index, von Willebrand factor and QT interval is tagged by common SNPs, and they partition this variation by chromosome and chromosome segments. We estimate and partition genetic variation for height, body mass index (BMI), von Willebrand factor and QT interval (QTi) using 586,898 SNPs genotyped on 11,586 unrelated individuals. We estimate that ∼45%, ∼17%, ∼25% and ∼21% of the variance in height, BMI, von Willebrand factor and QTi, respectively, can be explained by all autosomal SNPs and a further ∼0.5–1% can be explained by X chromosome SNPs. We show that the variance explained by each chromosome is proportional to its length, and that SNPs in or near genes explain more variation than SNPs between genes. We propose a new approach to estimate variation due to cryptic relatedness and population stratification. Our results provide further evidence that a substantial proportion of heritability is captured by common SNPs, that height, BMI and QTi are highly polygenic traits, and that the additive variation explained by a part of the genome is approximately proportional to the total length of DNA contained within genes therein.

Chronic kidney disease (CKD) is a significant public health problem, and recent genetic studies have identified common CKD susceptibility variants. The CKDGen consortium performed a meta-analysis of genome-wide association data in 67,093 individuals of European ancestry from 20 predominantly population-based studies in order to identify new susceptibility loci for reduced renal function as estimated by serum creatinine (eGFRcrea), serum cystatin c (eGFRcys) and CKD (eGFRcrea < 60 ml/min/1.73 m(2); n = 5,807 individuals with CKD (cases)). Follow-up of the 23 new genome-wide-significant loci (P < 5 x 10(-8)) in 22,982 replication samples identified 13 new loci affecting renal function and CKD (in or near LASS2, GCKR, ALMS1, TFDP2, DAB2, SLC34A1, VEGFA, PRKAG2, PIP5K1B, ATXN2, DACH1, UBE2Q2 and SLC7A9) and 7 loci suspected to affect creatinine production and secretion (CPS1, SLC22A2, TMEM60, WDR37, SLC6A13, WDR72 and BCAS3). These results further our understanding of the biologic mechanisms of kidney function by identifying loci that potentially influence nephrogenesis, podocyte function, angiogenesis, solute transport and metabolic functions of the kidney.

Emerging evidence has unveiled the contribution of tumor microenvironment to the regulation of chemotherapeutic outcomes. However, the impact of chemotherapy on anti-tumor immunity and immunosuppression still remains elusive. In this study, we investigated the role of chemotherapy-derived inflammatory responses in the differentiation of myeloid-derived suppressive cells (MDSC). The anti-cancer agents Gemcitabine and Carboplatin induced the activation of MAPK pathway in mouse mammary cancer cell line EO771 and also stimulated cytokine and chemokine production including GM-CSF and IL-6. The supernatants of Gemcitabine-treated tumor cells promoted more bone marrow-derived monocytic MDSC differentiation, and enhanced their immunosuppressive activity on effector T cells. The expression of MDSC associated molecules such as Arginase and iNOS significantly increased in M-MDSC induced by the supernatant of Gemcitabine-treated tumor cells. In vivo treatment of EO771 tumors with Gemcitabine increased the suppressive function of MDSC. Our findings also suggest that Dectin-1 activation by β-glucan could significantly reduce MDSC suppressive function. Together, these results describe a role of chemotherapy-derived inflammation in the modification of chemotherapy-treated tumor microenvironment and suggest the targeting of Dectin-1 signaling may benefit cancer patients by reprogramming MDSC in chemotherapy setting.

We conducted a genome-wide association study of pancreatic cancer in 3,851 affected individuals (cases) and 3,934 unaffected controls drawn from 12 prospective cohort studies and 8 case-control studies. Based on a logistic regression model for genotype trend effect that was adjusted for study, age, sex, self-described ancestry and five principal components, we identified eight SNPs that map to three loci on chromosomes 13q22.1, 1q32.1 and 5p15.33. Two correlated SNPs, rs9543325 (P = 3.27 x 10(-11), per-allele odds ratio (OR) 1.26, 95% CI 1.18-1.35) and rs9564966 (P = 5.86 x 10(-8), per-allele OR 1.21, 95% CI 1.13-1.30), map to a nongenic region on chromosome 13q22.1. Five SNPs on 1q32.1 map to NR5A2, and the strongest signal was at rs3790844 (P = 2.45 x 10(-10), per-allele OR 0.77, 95% CI 0.71-0.84). A single SNP, rs401681 (P = 3.66 x 10(-7), per-allele OR 1.19, 95% CI 1.11-1.27), maps to the CLPTM1L-TERT locus on 5p15.33, which is associated with multiple cancers. Our study has identified common susceptibility loci for pancreatic cancer that warrant follow-up studies.

Cathy Laurie and colleagues detect mosaicism for large chromosomal abnormalities in peripheral blood in a subset of healthy individuals. They show that the frequency of such events increases with age and is associated with elevated risk of developing a subsequent hematological cancer. We detected clonal mosaicism for large chromosomal anomalies (duplications, deletions and uniparental disomy) using SNP microarray data from over 50,000 subjects recruited for genome-wide association studies. This detection method requires a relatively high frequency of cells with the same abnormal karyotype (>5–10%; presumably of clonal origin) in the presence of normal cells. The frequency of detectable clonal mosaicism in peripheral blood is low (<0.5%) from birth until 50 years of age, after which it rapidly rises to 2–3% in the elderly. Many of the mosaic anomalies are characteristic of those found in hematological cancers and identify common deleted regions with genes previously associated with these cancers. Although only 3% of subjects with detectable clonal mosaicism had any record of hematological cancer before DNA sampling, those without a previous diagnosis have an estimated tenfold higher risk of a subsequent hematological cancer (95% confidence interval = 6–18).

Approximately 60% of families that meet the Amsterdam-I criteria (AC-I) for hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC) have a hereditary abnormality in a DNA mismatch repair (MMR) gene. Cancer incidence in AC-I families with MMR gene mutations is reported to be very high, but cancer incidence for individuals in AC-I families with no evidence of an MMR defect is unknown.To determine if cancer risks in AC-I families with no apparent deficiency in DNA MMR are different from cancer risks in AC-I families with DNA MMR abnormalities.Identification (1997-2001) of 161 AC-I pedigrees from multiple population- and clinic-based sources in North America and Germany, with families grouped into those with (group A) or without (group B) MMR deficiency by tumor testing. A total of 3422 relatives were included in the analyses.Cancer incidence in groups A and B (excluding the 3 affected members used to define each pedigree as AC-I) and computed age- and sex-adjusted standardized incidence ratios (SIRs) using Surveillance, Epidemiology, and End Results data.Group A families from both population- and clinic-based series showed increased incidence of the HNPCC-related cancers. Group B families showed increased incidence only for colorectal cancer (SIR, 2.3; 95% confidence interval, 1.7-3.0) and to a lesser extent than group A (SIR, 6.1; 95% confidence interval, 5.2-7.2) (P<.001).Families who fulfill AC-I criteria but who have no evidence of a DNA MMR defect do not share the same cancer incidence as families with HNPCC-Lynch syndrome (ie, hereditary MMR deficiency). Relatives in such families have a lower incidence of colorectal cancer than those in families with HNPCC-Lynch syndrome, and incidence may not be increased for other cancers. These families should not be described or counseled as having HNPCC-Lynch syndrome. To facilitate distinguishing these entities, the designation of "familial colorectal cancer type X" is suggested to describe this type of familial aggregation of colorectal cancer.

Summary

Background

 A statistical model of death due to ovarian cancer, breast cancer, coronary heart disease, hip fracture, and stroke has suggested that women who undergo prophylactic bilateral oophorectomy are at increased risk of death for all causes. We aimed to investigate survival patterns in a population-based sample of women who had received an oophorectomy and compare these with women who had not received an oophorectomy. 

Methods

 From an existing cohort of all women who underwent unilateral or bilateral oophorectomy while residing in Olmsted County, MN, USA, in 1950–87, we analysed those who had received an oophorectomy for a non-cancer indication before the onset of menopause. Every member of the cohort was matched by age to a referent woman in the same population who had not undergone oophorectomy. 1293 women with unilateral oophorectomy, 1097 with bilateral oophorectomy, and 2390 referent women were eligible for the study. Women were followed up until death or the end of the study (staggered over 2001–06) by use of direct or proxy interviews, medical records in a records-linkage system, and death certificates. 

Findings

 Overall, mortality was not increased in women who underwent bilateral oophorectomy compared with referent women. However, mortality was significantly higher in women who had received prophylactic bilateral oophorectomy before the age of 45 years than in referent women (hazard ratio 1·67 [95% CI 1·16–2·40], p=0·006). This increased mortality was seen mainly in women who had not received oestrogen up to the age of 45 years. No increased mortality was recorded in women who underwent unilateral oophorectomy in either overall or stratified analyses. 

Interpretation

 Although prophylactic bilateral oophorectomy undertaken before age 45 years is associated with increased mortality, whether it is causal or merely a marker of underlying risk is uncertain.

We performed a two-tiered, whole-genome association study of Parkinson disease (PD). For tier 1, we individually genotyped 198,345 uniformly spaced and informative single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in 443 sibling pairs discordant for PD. For tier 2a, we individually genotyped 1,793 PD-associated SNPs (P<.01 in tier 1) and 300 genomic control SNPs in 332 matched case–unrelated control pairs. We identified 11 SNPs that were associated with PD (P<.01) in both tier 1 and tier 2 samples and had the same direction of effect. For these SNPs, we combined data from the case–unaffected sibling pair (tier 1) and case–unrelated control pair (tier 2) samples and employed a liberalization of the sibling transmission/disequilibrium test to calculate odds ratios, 95% confidence intervals, and P values. A SNP within the semaphorin 5A gene (SEMA5A) had the lowest combined P value (P=7.62×10−6). The protein encoded by this gene plays an important role in neurogenesis and in neuronal apoptosis, which is consistent with existing hypotheses regarding PD pathogenesis. A second SNP tagged the PARK11 late-onset PD susceptibility locus (P=1.70×10−5). In tier 2b, we also selected for genotyping additional SNPs that were borderline significant (P<.05) in tier 1 but that tested a priori biological and genetic hypotheses regarding susceptibility to PD (n=941 SNPs). In analysis of the combined tier 1 and tier 2b data, the two SNPs with the lowest P values (P=9.07×10−6; P=2.96×10−5) tagged the PARK10 late-onset PD susceptibility locus. Independent replication across populations will clarify the role of the genomic loci tagged by these SNPs in conferring PD susceptibility. We performed a two-tiered, whole-genome association study of Parkinson disease (PD). For tier 1, we individually genotyped 198,345 uniformly spaced and informative single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in 443 sibling pairs discordant for PD. For tier 2a, we individually genotyped 1,793 PD-associated SNPs (P<.01 in tier 1) and 300 genomic control SNPs in 332 matched case–unrelated control pairs. We identified 11 SNPs that were associated with PD (P<.01) in both tier 1 and tier 2 samples and had the same direction of effect. For these SNPs, we combined data from the case–unaffected sibling pair (tier 1) and case–unrelated control pair (tier 2) samples and employed a liberalization of the sibling transmission/disequilibrium test to calculate odds ratios, 95% confidence intervals, and P values. A SNP within the semaphorin 5A gene (SEMA5A) had the lowest combined P value (P=7.62×10−6). The protein encoded by this gene plays an important role in neurogenesis and in neuronal apoptosis, which is consistent with existing hypotheses regarding PD pathogenesis. A second SNP tagged the PARK11 late-onset PD susceptibility locus (P=1.70×10−5). In tier 2b, we also selected for genotyping additional SNPs that were borderline significant (P<.05) in tier 1 but that tested a priori biological and genetic hypotheses regarding susceptibility to PD (n=941 SNPs). In analysis of the combined tier 1 and tier 2b data, the two SNPs with the lowest P values (P=9.07×10−6; P=2.96×10−5) tagged the PARK10 late-onset PD susceptibility locus. Independent replication across populations will clarify the role of the genomic loci tagged by these SNPs in conferring PD susceptibility.

Identification and replication of susceptibility genes for Parkinson disease at the population level have been hampered by small studies with potential biases. Alpha-synuclein (SNCA) has been one of the most promising susceptibility genes, but large-scale studies have been lacking.To determine whether allele-length variability in the dinucleotide repeat sequence (REP1) of the SNCA gene promoter is associated with Parkinson disease susceptibility, whether SNCA promoter haplotypes are associated with Parkinson disease, and whether REP1 variability modifies age at onset.We performed a collaborative analysis of individual-level data on SNCA REP1 and flanking markers in patients with Parkinson disease and controls. Study site recruitment, data collection, and analyses were performed between April 5, 2004, and December 31, 2005. Eighteen participating sites of a global genetics consortium provided clinical data. Genotyping was performed for SNCA REP1, -770, and -116 markers at individual sites; however, each site also provided 20 DNA samples for regenotyping centrally.Measures included estimations of Hardy-Weinberg equilibrium in controls; a test of heterogeneity; analyses for association of single variants or haplotypes; and survival analyses for age at onset.Of the 18 sites, 11 met stringent criteria for concordance with Hardy-Weinberg equilibrium and low genotyping error rate. These 11 sites provided complete data for 2692 cases and 2652 controls. There was no heterogeneity across studies (P>.60). The SNCA REP1 alleles differed in frequency for cases and controls (P<.001). Genotypes defined by the 263 base-pair allele were associated with Parkinson disease (odds ratio, 1.43; 95% confidence interval, 1.22-1.69; P<.001 for trend). Multilocus haplotypes differed in frequency for cases and controls (global score statistic, P<.001). Two-loci haplotypes were associated with Parkinson disease only when they included REP1 as one of the loci. However, genotypes defined by REP1 alleles did not modify age at onset (P = .55).This large-scale collaborative analysis demonstrates that SNCA REP1 allele-length variability is associated with an increased risk of Parkinson disease.