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 current human reference genome, GRCh38, represents over 20 years of effort to generate a high-quality assembly, which has greatly benefited society 1, 2 . However, it still has many gaps and errors, and does not represent a biological human genome since it is a blend of multiple individuals 3, 4 . Recently, a high-quality telomere-to-telomere reference genome, CHM13, was generated with the latest long-read technologies, but it was derived from a hydatidiform mole cell line with a duplicate genome, and is thus nearly homozygous 5 . To address these limitations, the Human Pangenome Reference Consortium (HPRC) recently formed with the goal of creating a collection of high-quality, cost-effective, diploid genome assemblies for a pangenome reference that represents human genetic diversity 6 . Here, in our first scientific report, we determined which combination of current genome sequencing and automated assembly approaches yields the most complete, accurate, and cost-effective diploid genome assemblies with minimal manual curation. Approaches that used highly accurate long reads and parent-child data to sort haplotypes during assembly outperformed those that did not. Developing a combination of all the top performing methods, we generated our first high- quality diploid reference assembly, containing only ∼4 gaps (range 0-12) per chromosome, most within + 1% of CHM13’s length. Nearly 1/4th of protein coding genes have synonymous amino acid changes between haplotypes, and centromeric regions showed the highest density of variation. Our findings serve as a foundation for assembling near-complete diploid human genomes at the scale required for constructing a human pangenome reference that captures all genetic variation from single nucleotides to large structural rearrangements.

After nearly two decades of improvements, the current human reference genome (GRCh38) is the most accurate and complete vertebrate genome ever produced. However, no one chromosome has been finished end to end, and hundreds of unresolved gaps persist [1][1],[2][2]. The remaining gaps include ribosomal rDNA arrays, large near-identical segmental duplications, and satellite DNA arrays. These regions harbor largely unexplored variation of unknown consequence, and their absence from the current reference genome can lead to experimental artifacts and hide true variants when re-sequencing additional human genomes. Here we present a de novo human genome assembly that surpasses the continuity of GRCh38 [2][2], along with the first 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 chromosome [3][3], we reconstructed the ∼2.8 megabase centromeric satellite DNA array and closed all 29 remaining gaps in the current reference, including new sequence from the human pseudoautosomal regions and cancer-testis ampliconic gene families (CT-X and GAGE). This complete chromosome X, combined with the ultra-long nanopore data, also allowed us to map methylation patterns across complex tandem repeats and satellite arrays for the first time. These results demonstrate that finishing the human genome is now within reach and will enable ongoing efforts to complete the remaining human chromosomes. [1]: #ref-1 [2]: #ref-2 [3]: #ref-3

The human reference genome assembly plays a central role in nearly all aspects of today's basic and clinical research. GRCh38 is the first coordinate-changing assembly update since 2009 and reflects the resolution of roughly 1000 issues and encompasses modifications ranging from thousands of single base changes to megabase-scale path reorganizations, gap closures and localization of previously orphaned sequences. We developed a new approach to sequence generation for targeted base updates and used data from new genome mapping technologies and single haplotype resources to identify and resolve larger assembly issues. For the first time, the reference assembly contains sequence-based representations for the centromeres. We also expanded the number of alternate loci to create a reference that provides a more robust representation of human population variation. We demonstrate that the updates render the reference an improved annotation substrate, alter read alignments in unchanged regions and impact variant interpretation at clinically relevant loci. We additionally evaluated a collection of new de novo long-read haploid assemblies and conclude that while the new assemblies compare favorably to the reference with respect to continuity, error rate, and gene completeness, the reference still provides the best representation for complex genomic regions and coding sequences. We assert that the collected updates in GRCh38 make the newer assembly a more robust substrate for comprehensive analyses that will promote our understanding of human biology and advance our efforts to improve health.