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%.

Daniel Levy and colleagues report a meta-analysis of genome-wide association studies for blood pressure traits as part of the CHARGE consortium, reporting eight loci with replicated association to systolic and/or diastolic blood pressure, with one of these loci also associated to hypertension. Blood pressure is a major cardiovascular disease risk factor. To date, few variants associated with interindividual blood pressure variation have been identified and replicated. Here we report results of a genome-wide association study of systolic (SBP) and diastolic (DBP) blood pressure and hypertension in the CHARGE Consortium (n = 29,136), identifying 13 SNPs for SBP, 20 for DBP and 10 for hypertension at P < 4 × 10−7. The top ten loci for SBP and DBP were incorporated into a risk score; mean BP and prevalence of hypertension increased in relation to the number of risk alleles carried. When ten CHARGE SNPs for each trait were included in a joint meta-analysis with the Global BPgen Consortium (n = 34,433), four CHARGE loci attained genome-wide significance (P < 5 × 10−8) for SBP (ATP2B1, CYP17A1, PLEKHA7, SH2B3), six for DBP (ATP2B1, CACNB2, CSK-ULK3, SH2B3, TBX3-TBX5, ULK4) and one for hypertension (ATP2B1). Identifying genes associated with blood pressure advances our understanding of blood pressure regulation and highlights potential drug targets for the prevention or treatment of hypertension.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified many risk loci for complex diseases, but effect sizes are typically small and information on the underlying biological processes is often lacking. Associations with metabolic traits as functional intermediates can overcome these problems and potentially inform individualized therapy. Here we report a comprehensive analysis of genotype-dependent metabolic phenotypes using a GWAS with non-targeted metabolomics. We identified 37 genetic loci associated with blood metabolite concentrations, of which 25 show effect sizes that are unusually high for GWAS and account for 10–60% differences in metabolite levels per allele copy. Our associations provide new functional insights for many disease-related associations that have been reported in previous studies, including those for cardiovascular and kidney disorders, type 2 diabetes, cancer, gout, venous thromboembolism and Crohn’s disease. The study advances our knowledge of the genetic basis of metabolic individuality in humans and generates many new hypotheses for biomedical and pharmaceutical research. The interaction of genetic predispositions with environmental factors is key to the pathogenesis of complex diseases. A promising approach to understanding this relationship combines a genome-wide association study (GWAS) with the analysis of blood metabolites as functional intermediate phenotypes. The potential of this method is demonstrated by a large-scale cooperation combining data from the German KORA F4 and the British TwinsUK population studies. GWAS data, together with non-targeted metabolomics covering 60 biochemical pathways in 2,820 individuals, have identified 37 genetic loci associated with blood metabolite concentrations, 25 of them with unusually high effect sizes for a GWAS. These associations provide new functional insights for many previously reported associations, including those for cardiovascular and kidney disorders, type 2 diabetes, cancer, gout, venous thromboembolism and Crohn's disease.

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.

Background Hyperuricaemia, a highly heritable trait, is a key risk factor for gout. We aimed to identify novel genes associated with serum uric acid concentration and gout. Methods Genome-wide association studies were done for serum uric acid in 7699 participants in the Framingham cohort and in 4148 participants in the Rotterdam cohort. Genome-wide significant single nucleotide polymorphisms (SNPs) were replicated in white (n=11 024) and black (n=3843) individuals who took part in the study of Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC). The SNPs that reached genome-wide significant association with uric acid in either the Framingham cohort (p<5·0×10−8) or the Rotterdam cohort (p<1·0×10−7) were evaluated with gout. The results obtained in white participants were combined using meta-analysis. Findings Three loci in the Framingham cohort and two in the Rotterdam cohort showed genome-wide association with uric acid. Top SNPs in each locus were: missense rs16890979 in SLC2A9 (p=7·0×10−168 and 2·9×10−18 for white and black participants, respectively); missense rs2231142 in ABCG2 (p=2·5×10−60 and 9·8×10−4), and rs1165205 in SLC17A3 (p=3·3×10−26 and 0·33). All SNPs were direction-consistent with gout in white participants: rs16890979 (OR 0·59 per T allele, 95% CI 0·52–0·68, p=7·0×10−14), rs2231142 (1·74, 1·51–1·99, p=3·3×10−15), and rs1165205 (0·85, 0·77–0·94, p=0·002). In black participants of the ARIC study, rs2231142 was direction-consistent with gout (1·71, 1·06–2·77, p=0·028). An additive genetic risk score of high-risk alleles at the three loci showed graded associations with uric acid (272–351 μmol/L in the Framingham cohort, 269–386 μmol/L in the Rotterdam cohort, and 303–426 μmol/L in white participants of the ARIC study) and gout (frequency 2–13% in the Framingham cohort, 2–8% in the Rotterdam cohort, and 1–18% in white participants in the ARIC study). Interpretation We identified three genetic loci associated with uric acid concentration and gout. A score based on genes with a putative role in renal urate handling showed a substantial risk for gout. Funding Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO); the National Heart, Lung, and Blood Institute.

Richard Watanabe and colleagues of the MAGIC consortium report meta-analyses of genome-wide association studies to glucose levels two hours after an oral glucose challenge. They identify variants in GIPR associated with glucose and insulin responses. Glucose levels 2 h after an oral glucose challenge are a clinical measure of glucose tolerance used in the diagnosis of type 2 diabetes. We report a meta-analysis of nine genome-wide association studies (n = 15,234 nondiabetic individuals) and a follow-up of 29 independent loci (n = 6,958–30,620). We identify variants at the GIPR locus associated with 2-h glucose level (rs10423928, β (s.e.m.) = 0.09 (0.01) mmol/l per A allele, P = 2.0 × 10−15). The GIPR A-allele carriers also showed decreased insulin secretion (n = 22,492; insulinogenic index, P = 1.0 × 10−17; ratio of insulin to glucose area under the curve, P = 1.3 × 10−16) and diminished incretin effect (n = 804; P = 4.3 × 10−4). We also identified variants at ADCY5 (rs2877716, P = 4.2 × 10−16), VPS13C (rs17271305, P = 4.1 × 10−8), GCKR (rs1260326, P = 7.1 × 10−11) and TCF7L2 (rs7903146, P = 4.2 × 10−10) associated with 2-h glucose. Of the three newly implicated loci (GIPR, ADCY5 and VPS13C), only ADCY5 was found to be associated with type 2 diabetes in collaborating studies (n = 35,869 cases, 89,798 controls, OR = 1.12, 95% CI 1.09–1.15, P = 4.8 × 10−18).

Chronic kidney disease (CKD) has a heritable component and is an important global public health problem because of its high prevalence and morbidity. We conducted genome-wide association studies (GWAS) to identify susceptibility loci for glomerular filtration rate, estimated by serum creatinine (eGFRcrea) and cystatin C (eGFRcys), and CKD (eGFRcrea < 60 ml/min/1.73 m(2)) in European-ancestry participants of four population-based cohorts (ARIC, CHS, FHS, RS; n = 19,877; 2,388 CKD cases), and tested for replication in 21,466 participants (1,932 CKD cases). We identified significant SNP associations (P < 5 × 10(-8)) with CKD at the UMOD locus, with eGFRcrea at UMOD, SHROOM3 and GATM-SPATA5L1, and with eGFRcys at CST and STC1. UMOD encodes the most common protein in human urine, Tamm-Horsfall protein, and rare mutations in UMOD cause mendelian forms of kidney disease. Our findings provide new insights into CKD pathogenesis and underscore the importance of common genetic variants influencing renal function and disease.

Genome-wide association studies (GWAS) have successfully identified common single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with a wide variety of complex diseases, but do not address gene function or establish causality of disease-associated SNPs. We recently used GWAS to identify SNPs in a genomic region on chromosome 4 that associate with serum urate levels and gout, a consequence of elevated urate levels. Here we show using functional assays that human ATP-binding cassette, subfamily G, 2 (ABCG2), encoded by the ABCG2 gene contained in this region, is a hitherto unknown urate efflux transporter. We further show that native ABCG2 is located in the brush border membrane of kidney proximal tubule cells, where it mediates renal urate secretion. Introduction of the mutation Q141K encoded by the common SNP rs2231142 by site-directed mutagenesis resulted in 53% reduced urate transport rates compared to wild-type ABCG2 ( P < 0.001). Data from a population-based study of 14,783 individuals support rs2231142 as the causal variant in the region and show highly significant associations with urate levels [whites: P = 10 −30 , minor allele frequency (MAF) 0.11; blacks P = 10 −4 , MAF 0.03] and gout (adjusted odds ratio 1.68 per risk allele, both races). Our data indicate that at least 10% of all gout cases in whites are attributable to this causal variant. With approximately 3 million US individuals suffering from often insufficiently treated gout, ABCG2 represents an attractive drug target. Our study completes the chain of evidence from association to causation and supports the common disease-common variant hypothesis in the etiology of gout.

Idiopathic membranous nephropathy is a major cause of the nephrotic syndrome in adults, but its etiologic basis is not fully understood. We investigated the genetic basis of biopsy-proven cases of idiopathic membranous nephropathy in a white population.We performed independent genomewide association studies of single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in patients with idiopathic membranous nephropathy from three populations of white ancestry (75 French, 146 Dutch, and 335 British patients). The patients were compared with racially matched control subjects; population stratification and quality controls were carried out according to standard criteria. Associations were calculated by means of a chi-square basic allele test; the threshold for significance was adjusted for multiple comparisons (with the Bonferroni method).In a joint analysis of data from the 556 patients studied (398 men), we identified significant alleles at two genomic loci associated with idiopathic membranous nephropathy. Chromosome 2q24 contains the gene encoding M-type phospholipase A(2) receptor (PLA(2)R1) (SNP rs4664308, P=8.6×10(-29)), previously shown to be the target of an autoimmune response. Chromosome 6p21 contains the gene encoding HLA complex class II HLA-DQ alpha chain 1 (HLA-DQA1) (SNP rs2187668, P=8.0×10(-93)). The association with HLA-DQA1 was significant in all three populations (P=1.8×10(-9), P=5.6×10(-27), and P=5.2×10(-36) in the French, Dutch, and British groups, respectively). The odds ratio for idiopathic membranous nephropathy with homozygosity for both risk alleles was 78.5 (95% confidence interval, 34.6 to 178.2).An HLA-DQA1 allele on chromosome 6p21 is most closely associated with idiopathic membranous nephropathy in persons of white ancestry. This allele may facilitate an autoimmune response against targets such as variants of PLA2R1. Our findings suggest a basis for understanding this disease and illuminate how adaptive immunity is regulated by HLA.

Patrick Ellinor and colleagues report a genome-wide association study identifying variants in KCNN3 associated to lone atrial fibrillation. Atrial fibrillation (AF) is the most common sustained arrhythmia. Previous studies have identified several genetic loci associated with typical AF. We sought to identify common genetic variants underlying lone AF. This condition affects a subset of individuals without overt heart disease and with an increased heritability of AF. We report a meta-analysis of genome-wide association studies conducted using 1,335 individuals with lone AF (cases) and 12,844 unaffected individuals (referents). Cases were obtained from the German AF Network, Heart and Vascular Health Study, the Atherosclerosis Risk in Communities Study, the Cleveland Clinic and Massachusetts General Hospital. We identified an association on chromosome 1q21 to lone AF (rs13376333, adjusted odds ratio = 1.56; P = 6.3 × 10−12), and we replicated this association in two independent cohorts with lone AF (overall combined odds ratio = 1.52, 95% CI 1.40–1.64; P = 1.83 × 10−21). rs13376333 is intronic to KCNN3, which encodes a potassium channel protein involved in atrial repolarization.