ABSTRACT Age is the dominant risk factor for most chronic human diseases; yet the mechanisms by which aging confers this risk are largely unknown. 1 Recently, the age-related acquisition of somatic mutations in regenerating hematopoietic stem cell populations was associated with both hematologic cancer incidence 2–4 and coronary heart disease prevalence. 5 Somatic mutations with leukemogenic potential may confer selective cellular advantages leading to clonal expansion, a phenomenon termed ‘Clonal Hematopoiesis of Indeterminate Potential’ (CHIP). 6 Simultaneous germline and somatic whole genome sequence analysis now provides the opportunity to identify root causes of CHIP. Here, we analyze high-coverage whole genome sequences from 97,691 participants of diverse ancestries in the NHLBI TOPMed program and identify 4,229 individuals with CHIP. We identify associations with blood cell, lipid, and inflammatory traits specific to different CHIP genes. Association of a genome-wide set of germline genetic variants identified three genetic loci associated with CHIP status, including one locus at TET2 that was African ancestry specific. In silico -informed in vitro evaluation of the TET2 germline locus identified a causal variant that disrupts a TET2 distal enhancer. Aggregates of rare germline loss-of-function variants in CHEK2 , a DNA damage repair gene, predisposed to CHIP acquisition. Overall, we observe that germline genetic variation altering hematopoietic stem cell function and the fidelity of DNA-damage repair increase the likelihood of somatic mutations leading to CHIP.

High blood pressure is the foremost heritable global risk factor for cardiovascular disease. We report the largest genetic association study of blood pressure traits to date (systolic, diastolic, pulse pressure) in over one million people of European ancestry. We identify 535 novel blood pressure loci that not only offer new biological insights into blood pressure regulation but also reveal shared loci influencing lifestyle exposures. Our findings offer the potential for a precision medicine strategy for future cardiovascular disease prevention.

Identifying genetic variants associated with circulating protein concentrations (pQTLs) and integrating them with variants from genome-wide association studies (GWAS) may illuminate the proteome's causal role in disease and bridge a GWAS knowledge gap for hitherto unexplained SNP-disease associations. We conducted GWAS of 71 high-value proteins for cardiovascular disease in 6,861 Framingham Heart Study participants followed by external replication. We comprehensively mapped thousands of pQTLs, including functional annotations and clinical-trait associations, and created an integrated plasma-protein-QTL searchable database. We next identified 15 proteins with pQTLs coinciding with coronary heart disease (CHD)-related variants from GWAS or tested causal for CHD by Mendelian randomization; most of these proteins were associated with new-onset cardiovascular disease events in Framingham participants with long-term follow-up. Identifying pQTLs and integrating them with GWAS results yields insights into genes, proteins, and pathways that may be causally associated with disease and can serve as therapeutic targets for treatment and prevention.

Abstract The linear mixed model (LMM) has become a standard tool in genetic association studies to account for population stratification and relatedness in the samples to reduce false positives. Much recent progresses in LMM focused on approximate computations. Exact computation remained computationally demanding and without theoretical assurance. The computation is particularly challenging for multi-omics studies where tens of thousands of phenotypes are tested for association with millions of genetic markers. We present IDUL that uses iterative dispersion updates to fit LMMs. We demonstrated that IDUL is a gradient ascent algorithm, enjoys the quadratic convergence of the state-of-the-art Newton-Raphson method, but avoids its inconsistency and inefficiency in computation. Moreover, we showed that the likelihood of LMM is asymptotically locally concave at the optimum, which guarantees unimodality of the likelihood function, so that IDUL achieves exact optimum almost sure. Applied to a set of protein assays from the Framingham Heart Study, IDUL demonstrated its superb efficiency and consistency: converged in several iterations and provided consistent estimates between different initial values. IDUL is highly efficient for additional phenotypes, making it ideal to study genetic determinant of multi-omics phenotypes. A software package implementing IDUL for genetic association studies is freely available at https://github.com/haplotype/IDUL .

DNA methylation age is an accurate biomarker of chronological age and predicts lifespan, but its underlying molecular mechanisms are unknown. In this genome-wide association study of 9,907 individuals, we found gene variants mapping to five loci associated with intrinsic epigenetic age acceleration (IEAA) and gene variants in 3 loci associated extrinsic epigenetic age acceleration (EEAA). Mendelian randomization analysis suggested causal influences of menarche and menopause on IEAA and lipid levels on IEAA and EEAA. Variants associated with longer leukocyte telomere length (LTL) in the telomerase reverse transcriptase gene (TERT) locus at 5p15.33 confer higher IEAA (P<2.7x10-11). Causal modelling indicates TERT-specific and independent effects on LTL and IEAA. Experimental hTERT expression in primary human fibroblasts engenders a linear increase in DNA methylation age with cell population doubling number. Together, these findings indicate a critical role for hTERT in regulating the DNA methylation clock, in addition to its established role of compensating for cell replication-dependent telomere shortening.

Excessive alcohol consumption is one of the main causes of death and disability worldwide. Alcohol consumption is a heritable complex trait. We conducted a genome-wide association study (GWAS) of alcohol use in ~480,000 people of European descent to decipher the genetic architecture of alcohol intake. We identified 46 novel, common loci, and investigated their potential functional significance using magnetic resonance imaging data, gene expression and behavioral studies in Drosophila. Our results identify new genetic pathways associated with alcohol consumption and suggest common genetic mechanisms with several neuropsychiatric disorders including schizophrenia.

The electrocardiographic PR interval reflects atrioventricular conduction, and is associated with conduction abnormalities, pacemaker implantation, atrial fibrillation (AF), and cardiovascular mortality[1][1],[2][2]. We performed multi-ancestry (N=293,051) and European only (N=271,570) genome-wide association (GWAS) meta-analyses for the PR interval, discovering 210 loci of which 149 are novel. Variants at all loci nearly doubled the percentage of heritability explained, from 33.5% to 62.6%. We observed enrichment for genes involved in cardiac muscle development/contraction and the cytoskeleton highlighting key regulation processes for atrioventricular conduction. Additionally, 19 novel loci harbour genes underlying inherited monogenic heart diseases suggesting the role of these genes in cardiovascular pathology in the general population. We showed that polygenic predisposition to PR interval duration is an endophenotype for cardiovascular disease risk, including distal conduction disease, AF, atrioventricular pre-excitation, non-ischemic cardiomyopathy, and coronary heart disease. These findings advance our understanding of the polygenic basis of cardiac conduction, and the genetic relationship between PR interval duration and cardiovascular disease. [1]: #ref-1 [2]: #ref-2

Recently, an alcohol predictor was developed using DNA methylation at 144 CpG sites (DNAm-Alc) as a biomarker for improved clinical or epidemiologic assessment of alcohol-related ill health. We validate the performance and characterize the drivers of this DNAm-Alc for the first time in independent populations. In N=1,049 parents from the Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC) Accessible Resource for Integrated Epigenomic Studies (ARIES) at midlife, we found DNAm-Alc explained 7.6% of the variation in alcohol intake, roughly half of what had been reported previously, and interestingly explained a larger 9.8% of AUDIT score, a scale of alcohol use disorder. Explanatory capacity in participants from the offspring generation of ARIES measured during adolescence was much lower. However, DNAm-Alc explained 14.3% of the variation in replication using the Head and Neck 5000 (HN5000) clinical cohort that had higher average alcohol consumption. To investigate whether this relationship was being driven by genetic and/or earlier environment confounding we examined how earlier vs. concurrent DNAm-Alc measures predicted AUDIT scores. In both ARIES parental and offspring generations, we observed associations between AUDIT and concurrent, but not earlier DNAm-Alc, suggesting independence from genetic and stable environmental contributions. The stronger relationship between DNAm-Alcs and AUDIT in parents at midlife compared to adolescents despite similar levels of consumption suggests that DNAm-Alc likely reflects long-term patterns of alcohol abuse. Such biomarkers may have potential applications for biomonitoring and risk prediction, especially in cases where reporting bias is a concern.

Abstract Much evidence suggests that the angular gyrus (AnG) is involved in episodic memory, but its precise role is yet to be determined. We examined two possible accounts, within the same experimental paradigm: the CoBRA account (Shimamura, 2011), which suggests that the AnG acts as a convergence zone that binds multimodal episodic features; and the Subjectivity account (Yazar et al., 2012), which implicates AnG involvement in subjective mnemonic experience (such as vividness or confidence). fMRI was employed during both encoding and retrieval of paired-associates. During study, female and male human participants memorised picture-pairs of common objects (in the unimodal task) or of an object-picture and an environmental sound (in the crossmodal task). At test, they performed a cued-recall task, and further indicated the vividness of their memory. During retrieval, BOLD activation in the AnG was greatest for vividly remembered associates, consistent with the Subjectivity account. During encoding, the same effect of vividness was found, but this was further modulated by task: Greater activations were associated with subsequent recall in the crossmodal than the unimodal task. Thus, encoding data suggests an additional role to the AnG in cross-modal integration, consistent with its role at retrieval proposed by CoBRA. These results resolve some of the puzzles in the literature and indicate that the AnG can play different roles during encoding and retrieval, determined by the cognitive demands posed by different mnemonic tasks. Significance Statement We offer new insights into the multiplicity of processes that are associated with angular gyrus (AnG) activation during encoding and retrieval of newly formed memories. We used fMRI while human participants learned and subsequently recalled pairs of objects presented to the same sensory modality or to different modalities. We were able to show that the AnG is involved when vivid memories are created and retrieved, as well as when encoded information is integrated across different sensory modalities. These findings provide novel evidence for the contribution of the AnG to our subjective experience of remembering, alongside its role in integrative processes that promote subsequent memory.

Abstract The formation of associative representations and their retrieval from episodic memory are vital cognitive functions. However, it is unclear to what extent retrieval of the basic component relations of episodic memory – identity, time, and space – requires different or shared brain mechanisms. In the current study, we employed EEG to track the time courses of electrophysiological correlates of retrieval processes of memory for identity relations, temporal order, and spatial configuration. Participants engaged in pair-associate learning of serially presented and spatially configured object picture pairs, followed by discrimination of identity, spatially, or temporally intact and rearranged pairs. Event-related brain potentials (ERPs) revealed distinct patterns of activity during successful retrieval of identity, spatial, and temporal relations that differed by the status of association, across the three retrieval time windows examined (300-500, 500-800, and 800-1000 ms). The identity relations condition was distinguished by a widespread greater negative-going deflection for rearranged relative to intact pairs in all three time windows. For the temporal relations condition, we observed a widespread more negative-going deflection for rearranged than intact pairs, significant in the second time window only. For the spatial relations condition, there was a widespread positive-going deflection greater for rearranged than for intact pairs, significant in the early and in middle time windows. These patterns of activity suggest that retrieval of associative memory traces for identity, spatial, and temporal relationships involve dynamically different processes, which may partially rely on different sets of basic associative mechanisms.