The accurate identification and description of the genes in the human and mouse genomes is a fundamental requirement for high quality analysis of data informing both genome biology and clinical genomics. Over the last 15 years, the GENCODE consortium has been producing reference quality gene annotations to provide this foundational resource. The GENCODE consortium includes both experimental and computational biology groups who work together to improve and extend the GENCODE gene annotation. Specifically, we generate primary data, create bioinformatics tools and provide analysis to support the work of expert manual gene annotators and automated gene annotation pipelines. In addition, manual and computational annotation workflows use any and all publicly available data and analysis, along with the research literature to identify and characterise gene loci to the highest standard. GENCODE gene annotations are accessible via the Ensembl and UCSC Genome Browsers, the Ensembl FTP site, Ensembl Biomart, Ensembl Perl and REST APIs as well as https://www.gencodegenes.org.

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.

Abstract The GENCODE project annotates human and mouse genes and transcripts supported by experimental data with high accuracy, providing a foundational resource that supports genome biology and clinical genomics. GENCODE annotation processes make use of primary data and bioinformatic tools and analysis generated both within the consortium and externally to support the creation of transcript structures and the determination of their function. Here, we present improvements to our annotation infrastructure, bioinformatics tools, and analysis, and the advances they support in the annotation of the human and mouse genomes including: the completion of first pass manual annotation for the mouse reference genome; targeted improvements to the annotation of genes associated with SARS-CoV-2 infection; collaborative projects to achieve convergence across reference annotation databases for the annotation of human and mouse protein-coding genes; and the first GENCODE manually supervised automated annotation of lncRNAs. Our annotation is accessible via Ensembl, the UCSC Genome Browser and https://www.gencodegenes.org.

After two decades of improvements, the current human reference genome (GRCh38) is the most accurate and complete vertebrate genome ever produced. However, no single chromosome has been finished end to end, and hundreds of unresolved gaps persist1,2. Here we present a human genome assembly that surpasses the continuity of GRCh382, along with a gapless, telomere-to-telomere assembly of a human chromosome. This was enabled by high-coverage, ultra-long-read nanopore sequencing of the complete hydatidiform mole CHM13 genome, combined with complementary technologies for quality improvement and validation. Focusing our efforts on the human X chromosome3, we reconstructed the centromeric satellite DNA array (approximately 3.1 Mb) and closed the 29 remaining gaps in the current reference, including new sequences from the human pseudoautosomal regions and from cancer-testis ampliconic gene families (CT-X and GAGE). These sequences will be integrated into future human reference genome releases. In addition, the complete chromosome X, combined with the ultra-long nanopore data, allowed us to map methylation patterns across complex tandem repeats and satellite arrays. Our results demonstrate that finishing the entire human genome is now within reach, and the data presented here will facilitate ongoing efforts to complete the other human chromosomes.

Abstract The UCSC Genome Browser (https://genome.ucsc.edu) provides a web interface for exploring annotated genome assemblies. The assemblies and annotation tracks are updated on an ongoing basis—12 assemblies and more than 28 tracks were added in the past year. Two recent additions are a display of CRISPR/Cas9 guide sequences and an interactive navigator for gene interactions. Other upgrades from the past year include a command-line version of the Variant Annotation Integrator, support for Human Genome Variation Society variant nomenclature input and output, and a revised highlighting tool that now supports multiple simultaneous regions and colors.

Abstract De novo assembly of a human genome using nanopore long-read sequences has been reported, but it used more than 150,000 CPU hours and weeks of wall-clock time. To enable rapid human genome assembly, we present Shasta, a de novo long-read assembler, and polishing algorithms named MarginPolish and HELEN. Using a single PromethION nanopore sequencer and our toolkit, we assembled 11 highly contiguous human genomes de novo in 9 d. We achieved roughly 63× coverage, 42-kb read N50 values and 6.5× coverage in reads >100 kb using three flow cells per sample. Shasta produced a complete haploid human genome assembly in under 6 h on a single commercial compute node. MarginPolish and HELEN polished haploid assemblies to more than 99.9% identity (Phred quality score QV = 30) with nanopore reads alone. Addition of proximity-ligation sequencing enabled near chromosome-level scaffolds for all 11 genomes. We compare our assembly performance to existing methods for diploid, haploid and trio-binned human samples and report superior accuracy and speed.

Improving on the gorilla genome Access to complete, high-quality genomes of nonhuman primates will also help us understand human biology. Gordon et al. used long-read sequencing technology to improve genome data on our close relative the gorilla. Sequencing from a single individual decreased assembly fragmentation and recovered previously missed genes and noncoding loci. Mapping short-read sequences from additional gorillas helped reconstruct a “pan” gorilla sequence documenting genetic variation. Comparison with human genomes revealed species-specific differences ranging in size from one to thousands of bases in length, including some that are likely to affect gene regulation. Science , this issue p. 10.1126/science.aae0344

Abstract New genome assemblies have been arriving at a rapidly increasing pace, thanks to decreases in sequencing costs and improvements in third-generation sequencing technologies 1–3 . For example, the number of vertebrate genome assemblies currently in the NCBI (National Center for Biotechnology Information) database 4 increased by more than 50% to 1,485 assemblies in the year from July 2018 to July 2019. In addition to this influx of assemblies from different species, new human de novo assemblies 5 are being produced, which enable the analysis of not only small polymorphisms, but also complex, large-scale structural differences between human individuals and haplotypes. This coming era and its unprecedented amount of data offer the opportunity to uncover many insights into genome evolution but also present challenges in how to adapt current analysis methods to meet the increased scale. Cactus 6 , a reference-free multiple genome alignment program, has been shown to be highly accurate, but the existing implementation scales poorly with increasing numbers of genomes, and struggles in regions of highly duplicated sequences. Here we describe progressive extensions to Cactus to create Progressive Cactus, which enables the reference-free alignment of tens to thousands of large vertebrate genomes while maintaining high alignment quality. We describe results from an alignment of more than 600 amniote genomes, which is to our knowledge the largest multiple vertebrate genome alignment created so far.

A spotlight on great ape genomes Most nonhuman primate genomes generated to date have been “humanized” owing to their many gaps and the reliance on guidance by the reference human genome. To remove this humanizing effect, Kronenberg et al. generated and assembled long-read genomes of a chimpanzee, an orangutan, and two humans and compared them with a previously generated gorilla genome. This analysis recognized genomic structural variation specific to humans and particular ape lineages. Comparisons between human and chimpanzee cerebral organoids showed down-regulation of the expression of specific genes in humans, relative to chimpanzees, related to noncoding variation identified in this analysis. Science , this issue p. eaar6343

To provide context for the diversification of archosaurs—the group that includes crocodilians, dinosaurs, and birds—we generated draft genomes of three crocodilians: Alligator mississippiensis (the American alligator), Crocodylus porosus (the saltwater crocodile), and Gavialis gangeticus (the Indian gharial). We observed an exceptionally slow rate of genome evolution within crocodilians at all levels, including nucleotide substitutions, indels, transposable element content and movement, gene family evolution, and chromosomal synteny. When placed within the context of related taxa including birds and turtles, this suggests that the common ancestor of all of these taxa also exhibited slow genome evolution and that the comparatively rapid evolution is derived in birds. The data also provided the opportunity to analyze heterozygosity in crocodilians, which indicates a likely reduction in population size for all three taxa through the Pleistocene. Finally, these data combined with newly published bird genomes allowed us to reconstruct the partial genome of the common ancestor of archosaurs, thereby providing a tool to investigate the genetic starting material of crocodilians, birds, and dinosaurs.