Abstract Apes possess two sex chromosomes—the male-specific Y chromosome and the X chromosome, which is present in both males and females. The Y chromosome is crucial for male reproduction, with deletions being linked to infertility 1 . The X chromosome is vital for reproduction and cognition 2 . Variation in mating patterns and brain function among apes suggests corresponding differences in their sex chromosomes. However, owing to their repetitive nature and incomplete reference assemblies, ape sex chromosomes have been challenging to study. Here, using the methodology developed for the telomere-to-telomere (T2T) human genome, we produced gapless assemblies of the X and Y chromosomes for five great apes (bonobo ( Pan paniscus ), chimpanzee ( Pan troglodytes ), western lowland gorilla ( Gorilla gorilla gorilla ), Bornean orangutan ( Pongo pygmaeus ) and Sumatran orangutan ( Pongo abelii )) and a lesser ape (the siamang gibbon ( Symphalangus syndactylus )), and untangled the intricacies of their evolution. Compared with the X chromosomes, the ape Y chromosomes vary greatly in size and have low alignability and high levels of structural rearrangements—owing to the accumulation of lineage-specific ampliconic regions, palindromes, transposable elements and satellites. Many Y chromosome genes expand in multi-copy families and some evolve under purifying selection. Thus, the Y chromosome exhibits dynamic evolution, whereas the X chromosome is more stable. Mapping short-read sequencing data to these assemblies revealed diversity and selection patterns on sex chromosomes of more than 100 individual great apes. These reference assemblies are expected to inform human evolution and conservation genetics of non-human apes, all of which are endangered species.

Abstract Modern sequencing technologies are not error-free, and might have elevated error rates at some locations of the genome. A potential cause for such elevated error rates is the formation of alternative DNA structures (non-B DNA), such as G-quadruplexes (G4s), Z-DNA, or cruciform structures, during sequencing. Approximately 13% of the human genome has the potential to form such structures, which have been previously shown to affect the activity of DNA polymerases and helicases. Here we tested whether motifs with the potential to form non-B DNA (non-B motifs) influence the sequencing success of three major sequencing technologies—Illumina, Pacific Biosciences (PacBio) HiFi, and Oxford Nanopore Technologies (ONT). We estimated sequencing success by computing the rates of single-nucleotide, insertion, and deletion errors, as well as by evaluating mean read depth and mean base quality. Overall, all technologies exhibited altered sequencing success for most non-B motif types. Single-nucleotide error rates were generally increased for G-quadruplexes (G4s) and Z-DNA motifs in all three technologies. Illumina and PacBio HiFi deletion error rates were also increased for all non-B types except for Z-DNA motifs, while in ONT they were increased substantially only for G4 motifs. Insertion error rates for non-B motifs were highly elevated in Illumina, moderately elevated in PacBio HiFi, and only slightly elevated in ONT. Using Poisson regression modeling, we evaluated how non-B DNA motifs and other factors influence sequencing error profiles. Using the error rates at non-B motifs, we developed a probabilistic approach to determine the number of false-positive single-nucleotide variants (SNVs) in different sample size and variant frequency cutoff scenarios, as well as in previously generated sequencing data sets (1000Genomes, Simons Genome Diversity Project, and gnomAD). Overall, the effect of non-B DNA on sequencing should be considered in downstream analyses, particularly in studies with limited read depth—e.g., single-cell and ancient DNA sequencing, as well as sequencing of pooled population samples—and when scoring variants with low frequency (e.g., singletons). Because each sequencing technology analyzed has a unique error profile at non-B motifs, a combination of different technologies should be considered in future sequencing studies of such motifs, to maximize accuracy.

Abstract The role of repetitive DNA in the 3D organization of the interphase nucleus in plant cells is a subject of intensive study. High-throughput chromosome conformation capture (Hi-C) is a sequencing-based method detecting the proximity of DNA segments in nuclei. We combined Hi-C data, plant reference genome data and tools for the characterization of genomic repeats to build a Nextflow pipeline identifying and quantifying the contacts of specific repeats revealing the preferential homotypic interactions of ribosomal DNA, DNA transposons and some LTR retrotransposon families. We provide a novel way to analyze the organization of repetitive elements in the 3D nucleus.

The human Y chromosome has been notoriously difficult to sequence and assemble because of its complex repeat structure including long palindromes, tandem repeats, and segmental duplications 1–3 . As a result, more than half of the Y chromosome is missing from the GRCh38 reference sequence and it remains the last human chromosome to be finished 4, 5 . Here, the Telomere-to-Telomere (T2T) consortium presents the complete 62,460,029 base pair sequence of a human Y chromosome from the HG002 genome (T2T-Y) that corrects multiple errors in GRCh38-Y and adds over 30 million base pairs of sequence to the reference, revealing the complete ampliconic structures of TSPY , DAZ , and RBMY gene families; 41 additional protein-coding genes, mostly from the TSPY family; and an alternating pattern of human satellite 1 and 3 blocks in the heterochromatic Yq12 region. We have combined T2T-Y with a prior assembly of the CHM13 genome 4 and mapped available population variation, clinical variants, and functional genomics data to produce a complete and comprehensive reference sequence for all 24 human chromosomes.

DNA conformation may deviate from the classical B-form in ~13% of the human genome. Non-B DNA regulates many cellular processes; however, its effects on DNA polymerization speed and accuracy have not been investigated genome-wide. Such an inquiry is critical for understanding neurological diseases and cancer genome instability. Here we present the first simultaneous examination of DNA polymerization kinetics and errors in the human genome sequenced with Single-Molecule-Real-Time technology. We show that polymerization speed differs between non-B and B-DNA: it decelerates at G-quadruplexes and fluctuates periodically at disease-causing tandem repeats. Analyzing polymerization kinetics profiles, we predict and validate experimentally non-B DNA formation for a novel motif. We demonstrate that several non-B motifs affect sequencing errors (e.g., G-quadruplexes increase error rates) and that sequencing errors are positively associated with polymerase slowdown. Finally, we show that highly divergent G4 motifs have pronounced polymerization slowdown and high sequencing error rates, suggesting similar mechanisms for sequencing errors and germline mutations.

Tandem DNA repeats can be sequenced with long-read technologies, but cannot be accurately deciphered due to the lack of computational tools taking high error rates of these technologies into account. Here we introduce Noise-Cancelling Repeat Finder (NCRF) to uncover putative tandem repeats of specified motifs in noisy long reads produced by Pacific Biosciences and Oxford Nanopore sequencers. Using simulations, we validated the use of NCRF to locate tandem repeats with motifs of various lengths and demonstrated its superior performance as compared to two alternative tools. Using real human whole-genome sequencing data, NCRF identified long arrays of the (AATGG)n repeat involved in heat shock stress response.

Motivation: The haploid mammalian Y chromosome is usually under-represented in genome assemblies due to high repeat content and low depth due to its haploid nature. One strategy to ameliorate the low coverage of Y sequences is to experimentally enrich Y-specific material before assembly. Since the enrichment process is imperfect, algorithms are needed to identify putative Y-specific reads prior to downstream assembly. A strategy that uses k-mer abundances to identify such reads was used to assemble the gorilla Y (Tomaszkiewicz et al 2016). However, the strategy required the manual setting of key parameters, a time-consuming process leading to sub-optimal assemblies. Results: We develop a method, RecoverY, that selects Y-specific reads by automatically choosing the abundance level at which a k-mer is deemed to originate from the Y. This algorithm uses prior knowledge about the Y chromosome of a related species or known Y transcript sequences. We evaluate RecoverY on both simulated and real data, for human and gorilla, and investigate its robustness to important parameters. We show that RecoverY leads to a vastly superior assembly compared to alternate strategies of filtering the reads or contigs. Compared to the preliminary strategy used in Tomaszkiewicz et al (2016), we achieve a 33% improvement in assembly size and a 20% improvement in the NG50, demonstrating the power of automatic parameter selection. Availability: Our tool RecoverY is freely available at https://github.com/makovalab-psu/RecoverY Contact: kmakova@bx.psu.edu, pashadag@cse.psu.edu

Apes possess two sex chromosomes—the male-specific Y and the X shared by males and females. The Y chromosome is crucial for male reproduction, with deletions linked to infertility. The X chromosome carries genes vital for reproduction and cognition. Variation in mating patterns and brain function among great apes suggests corresponding differences in their sex chromosome structure and evolution. However, due to their highly repetitive nature and incomplete reference assemblies, ape sex chromosomes have been challenging to study. Here, using the state-of-the-art experimental and computational methods developed for the telomere-to-telomere (T2T) human genome, we produced gapless, complete assemblies of the X and Y chromosomes for five great apes (chimpanzee, bonobo, gorilla, Bornean and Sumatran orangutans) and a lesser ape, the siamang gibbon. These assemblies completely resolved ampliconic, palindromic, and satellite sequences, including the entire centromeres, allowing us to untangle the intricacies of ape sex chromosome evolution. We found that, compared to the X, ape Y chromosomes vary greatly in size and have low alignability and high levels of structural rearrangements. This divergence on the Y arises from the accumulation of lineage-specific ampliconic regions and palindromes (which are shared more broadly among species on the X) and from the abundance of transposable elements and satellites (which have a lower representation on the X). Our analysis of Y chromosome genes revealed lineage-specific expansions of multi-copy gene families and signatures of purifying selection. In summary, the Y exhibits dynamic evolution, while the X is more stable. Finally, mapping short-read sequencing data from >100 great ape individuals revealed the patterns of diversity and selection on their sex chromosomes, demonstrating the utility of these reference assemblies for studies of great ape evolution. These complete sex chromosome assemblies are expected to further inform conservation genetics of nonhuman apes, all of which are endangered species.

Satellite repeats are a structural component of centromeres and telomeres, and in some instances their divergence is known to drive speciation. Due to their highly repetitive nature, satellite sequences have been understudied and underrepresented in genome assemblies. To investigate their turnover in great apes, we studied satellite repeats of unit sizes up to 50 bp in human, chimpanzee, bonobo, gorilla, and Sumatran and Bornean orangutans, using unassembled short and long sequencing reads. The density of satellite repeats, as identified from accurate short reads (Illumina), varied greatly among great ape genomes. These were dominated by a handful of abundant repeated motifs, frequently shared among species, which formed two groups: (1) the (AATGG)n repeat (critical for heat shock response) and its derivatives; and (2) subtelomeric 32-mers involved in telomeric metabolism. Using the densities of abundant repeats, individuals could be classified into species. However clustering did not reproduce the accepted species phylogeny, suggesting rapid repeat evolution. Several abundant repeats were enriched in males vs. females; using Y chromosome assemblies or FIuorescent In Situ Hybridization, we validated their location on the Y. Finally, applying a novel computational tool, we identified many satellite repeats completely embedded within long Oxford Nanopore and Pacific Biosciences reads. Such repeats were up to 59 kb in length and consisted of perfect repeats interspersed with other similar sequences. Our results based on sequencing reads generated with three different technologies provide the first detailed characterization of great ape satellite repeats, and open new avenues for exploring their functions.