We have conducted a comprehensive search for conserved elements in vertebrate genomes, using genome-wide multiple alignments of five vertebrate species (human, mouse, rat, chicken, and Fugu rubripes ). Parallel searches have been performed with multiple alignments of four insect species (three species of Drosophila and Anopheles gambiae ), two species of Caenorhabditis , and seven species of Saccharomyces . Conserved elements were identified with a computer program called phastCons, which is based on a two-state phylogenetic hidden Markov model (phylo-HMM). PhastCons works by fitting a phylo-HMM to the data by maximum likelihood, subject to constraints designed to calibrate the model across species groups, and then predicting conserved elements based on this model. The predicted elements cover roughly 3%–8% of the human genome (depending on the details of the calibration procedure) and substantially higher fractions of the more compact Drosophila melanogaster (37%–53%), Caenorhabditis elegans (18%–37%), and Saccharaomyces cerevisiae (47%–68%) genomes. From yeasts to vertebrates, in order of increasing genome size and general biological complexity, increasing fractions of conserved bases are found to lie outside of the exons of known protein-coding genes. In all groups, the most highly conserved elements (HCEs), by log-odds score, are hundreds or thousands of bases long. These elements share certain properties with ultraconserved elements, but they tend to be longer and less perfectly conserved, and they overlap genes of somewhat different functional categories. In vertebrates, HCEs are associated with the 3′ UTRs of regulatory genes, stable gene deserts, and megabase-sized regions rich in moderately conserved noncoding sequences. Noncoding HCEs also show strong statistical evidence of an enrichment for RNA secondary structure.

The University of California, Santa Cruz Genome Browser ( http://genome.ucsc.edu ) offers online access to a database of genomic sequence and annotation data for a wide variety of organisms. The Browser also has many tools for visualizing, comparing and analyzing both publicly available and user-generated genomic data sets, aligning sequences and uploading user data. Among the features released this year are a gene search tool and annotation track drag-reorder functionality as well as support for BAM and BigWig/BigBed file formats. New display enhancements include overlay of multiple wiggle tracks through use of transparent coloring, options for displaying transformed wiggle data, a ‘mean+whiskers’ windowing function for display of wiggle data at high zoom levels, and more color schemes for microarray data. New data highlights include seven new genome assemblies, a Neandertal genome data portal, phenotype and disease association data, a human RNA editing track, and a zebrafish Conservation track. We also describe updates to existing tracks.

Abstract High-quality and complete reference genome assemblies are fundamental for the application of genomics to biology, disease, and biodiversity conservation. However, such assemblies are available for only a few non-microbial species 1–4 . To address this issue, the international Genome 10K (G10K) consortium 5,6 has worked over a five-year period to evaluate and develop cost-effective methods for assembling highly accurate and nearly complete reference genomes. Here we present lessons learned from generating assemblies for 16 species that represent six major vertebrate lineages. We confirm that long-read sequencing technologies are essential for maximizing genome quality, and that unresolved complex repeats and haplotype heterozygosity are major sources of assembly error when not handled correctly. Our assemblies correct substantial errors, add missing sequence in some of the best historical reference genomes, and reveal biological discoveries. These include the identification of many false gene duplications, increases in gene sizes, chromosome rearrangements that are specific to lineages, a repeated independent chromosome breakpoint in bat genomes, and a canonical GC-rich pattern in protein-coding genes and their regulatory regions. Adopting these lessons, we have embarked on the Vertebrate Genomes Project (VGP), an international effort to generate high-quality, complete reference genomes for all of the roughly 70,000 extant vertebrate species and to help to enable a new era of discovery across the life sciences.

We define a "threaded blockset," which is a novel generalization of the classic notion of a multiple alignment. A new computer program called TBA (for "threaded blockset aligner") builds a threaded blockset under the assumption that all matching segments occur in the same order and orientation in the given sequences; inversions and duplications are not addressed. TBA is designed to be appropriate for aligning many, but by no means all, megabase-sized regions of multiple mammalian genomes. The output of TBA can be projected onto any genome chosen as a reference, thus guaranteeing that different projections present consistent predictions of which genomic positions are orthologous. This capability is illustrated using a new visualization tool to view TBA-generated alignments of vertebrate Hox clusters from both the mammalian and fish perspectives. Experimental evaluation of alignment quality, using a program that simulates evolutionary change in genomic sequences, indicates that TBA is more accurate than earlier programs. To perform the dynamic-programming alignment step, TBA runs a stand-alone program called MULTIZ, which can be used to align highly rearranged or incompletely sequenced genomes. We describe our use of MULTIZ to produce the whole-genome multiple alignments at the Santa Cruz Genome Browser.

The University of California Santa Cruz Genome Browser Database (GBD) contains sequence and annotation data for the genomes of about a dozen vertebrate species and several major model organisms. Genome annotations typically include assembly data, sequence composition, genes and gene predictions, mRNA and expressed sequence tag evidence, comparative genomics, regulation, expression and variation data. The database is optimized to support fast interactive performance with web tools that provide powerful visualization and querying capabilities for mining the data. The Genome Browser displays a wide variety of annotations at all scales from single nucleotide level up to a full chromosome. The Table Browser provides direct access to the database tables and sequence data, enabling complex queries on genome-wide datasets. The Proteome Browser graphically displays protein properties. The Gene Sorter allows filtering and comparison of genes by several metrics including expression data and several gene properties. BLAT and In Silico PCR search for sequences in entire genomes in seconds. These tools are highly integrated and provide many hyperlinks to other databases and websites. The GBD, browsing tools, downloadable data files and links to documentation and other information can be found at http://genome.ucsc.edu/.

The comparison of related genomes has emerged as a powerful lens for genome interpretation. Here we report the sequencing and comparative analysis of 29 eutherian genomes. We confirm that at least 5.5% of the human genome has undergone purifying selection, and locate constrained elements covering ∼4.2% of the genome. We use evolutionary signatures and comparisons with experimental data sets to suggest candidate functions for ∼60% of constrained bases. These elements reveal a small number of new coding exons, candidate stop codon readthrough events and over 10,000 regions of overlapping synonymous constraint within protein-coding exons. We find 220 candidate RNA structural families, and nearly a million elements overlapping potential promoter, enhancer and insulator regions. We report specific amino acid residues that have undergone positive selection, 280,000 non-coding elements exapted from mobile elements and more than 1,000 primate- and human-accelerated elements. Overlap with disease-associated variants indicates that our findings will be relevant for studies of human biology, health and disease. This comparative genomics study, comparing the complete human genome sequence with those of 29 placental mammals, including chimpanzees, mice and dogs, identifies 4.2% of the human genome as constrained by evolutionary selection, and ascribes a potential function to about 60% of these constrained bases. A series of evolutionary signatures emerges, providing insights into coding and non-coding functional genomic elements, candidate RNA structural families and aspects of genome organization and evolution. Overlap with disease-associated variants indicates that the findings will be relevant for studies of human disease.

We systematically generated large-scale data sets to improve genome annotation for the nematode Caenorhabditis elegans, a key model organism. These data sets include transcriptome profiling across a developmental time course, genome-wide identification of transcription factor-binding sites, and maps of chromatin organization. From this, we created more complete and accurate gene models, including alternative splice forms and candidate noncoding RNAs. We constructed hierarchical networks of transcription factor-binding and microRNA interactions and discovered chromosomal locations bound by an unusually large number of transcription factors. Different patterns of chromatin composition and histone modification were revealed between chromosome arms and centers, with similarly prominent differences between autosomes and the X chromosome. Integrating data types, we built statistical models relating chromatin, transcription factor binding, and gene expression. Overall, our analyses ascribed putative functions to most of the conserved genome.

The University of California Santa Cruz (UCSC) Genome Browser (http://genome.ucsc.edu) offers online public access to a growing database of genomic sequence and annotations for a wide variety of organisms. The Browser is an integrated tool set for visualizing, comparing, analysing and sharing both publicly available and user-generated genomic datasets. As of September 2012, genomic sequence and a basic set of annotation 'tracks' are provided for 63 organisms, including 26 mammals, 13 non-mammal vertebrates, 3 invertebrate deuterostomes, 13 insects, 6 worms, yeast and sea hare. In the past year 19 new genome assemblies have been added, and we anticipate releasing another 28 in early 2013. Further, a large number of annotation tracks have been either added, updated by contributors or remapped to the latest human reference genome. Among these are an updated UCSC Genes track for human and mouse assemblies. We have also introduced several features to improve usability, including new navigation menus. This article provides an update to the UCSC Genome Browser database, which has been previously featured in the Database issue of this journal.

Launched in 2001 to showcase the draft human genome assembly, the UCSC Genome Browser database (http://genome.ucsc.edu) and associated tools continue to grow, providing a comprehensive resource of genome assemblies and annotations to scientists and students worldwide. Highlights of the past year include the release of a browser for the first new human genome reference assembly in 4 years in December 2013 (GRCh38, UCSC hg38), a watershed comparative genomics annotation (100-species multiple alignment and conservation) and a novel distribution mechanism for the browser (GBiB: Genome Browser in a Box). We created browsers for new species (Chinese hamster, elephant shark, minke whale), 'mined the web' for DNA sequences and expanded the browser display with stacked color graphs and region highlighting. As our user community increasingly adopts the UCSC track hub and assembly hub representations for sharing large-scale genomic annotation data sets and genome sequencing projects, our menu of public data hubs has tripled.

The UCSC Genome Browser (https://genome.ucsc.edu) is a graphical viewer for exploring genome annotations. For almost two decades, the Browser has provided visualization tools for genetics and molecular biology and continues to add new data and features. This year, we added a new tool that lets users interactively arrange existing graphing tracks into new groups. Other software additions include new formats for chromosome interactions, a ChIP-Seq peak display for track hubs and improved support for HGVS. On the annotation side, we have added gnomAD, TCGA expression, RefSeq Functional elements, GTEx eQTLs, CRISPR Guides, SNPpedia and created a 30-way primate alignment on the human genome. Nine assemblies now have RefSeq-mapped gene models.