Resolving genomic structural variation Many human genomes have been reported using short-read technology, but it is difficult to resolve structural variants (SVs) using these data. These genomes thus lack comprehensive comparisons among individuals and populations. Ebert et al. used long-read structural variation calling across 64 human genomes representing diverse populations and developed new methods for variant discovery. This approach allowed the authors to increase the number of confirmed SVs and to describe the patterns of variation across populations. From this dataset, they identified quantitative trait loci affected by these SVs and determined how they may affect gene expression and potentially explain genome-wide association study hits. This information provides insights into patterns of normal human genetic variation and generates reference genomes that better represent the diversity of our species. Science , this issue p. eabf7117

Sequencing of cell-free fetal-derived DNA from maternal plasma provides a noninvasive way to predict the fetal genome sequence.

Abstract Here the Human Pangenome Reference Consortium presents a first draft of the human pangenome reference. The pangenome contains 47 phased, diploid assemblies from a cohort of genetically diverse individuals 1 . These assemblies cover more than 99% of the expected sequence in each genome and are more than 99% accurate at the structural and base pair levels. Based on alignments of the assemblies, we generate a draft pangenome that captures known variants and haplotypes and reveals new alleles at structurally complex loci. We also add 119 million base pairs of euchromatic polymorphic sequences and 1,115 gene duplications relative to the existing reference GRCh38. Roughly 90 million of the additional base pairs are derived from structural variation. Using our draft pangenome to analyse short-read data reduced small variant discovery errors by 34% and increased the number of structural variants detected per haplotype by 104% compared with GRCh38-based workflows, which enabled the typing of the vast majority of structural variant alleles per sample.

Haplotype-resolved whole-genome sequencing of the HeLa CCL-2 strain shows that HeLa is relatively stable in terms of point variation; integration of several data sets reveals strong, haplotype-specific activation of the proto-oncogene MYC by the human papilloma virus type 18 genome, and enables the relationship between gene dosage and expression to be examined. The first genomic characterization of the HeLa cancer cell line, the longest-serving and arguably most commonly used human cell line in biomedical research, reveals a genome that is surprisingly stable with respect to both point-mutation and copy-number alterations. The point-mutation rate may be no higher than the somatic mutation rate of normal tissue, and very few copy-number alterations distinguish the genomes of different HeLa strains that were split from one another in the mid-1950s. The authors examine the relationship between gene dosage and expression by integrating several data sets, including those from the ENCODE project, and find strong activation of the MYC proto-oncogene by the human papilloma virus type 18 (HPV-18) integration at chromosome 8q24.21. The HeLa cell line was established in 1951 from cervical cancer cells taken from a patient, Henrietta Lacks. This was the first successful attempt to immortalize human-derived cells in vitro1. The robust growth and unrestricted distribution of HeLa cells resulted in its broad adoption—both intentionally and through widespread cross-contamination2—and for the past 60 years it has served a role analogous to that of a model organism3. The cumulative impact of the HeLa cell line on research is demonstrated by its occurrence in more than 74,000 PubMed abstracts (approximately 0.3%). The genomic architecture of HeLa remains largely unexplored beyond its karyotype4, partly because like many cancers, its extensive aneuploidy renders such analyses challenging. We carried out haplotype-resolved whole-genome sequencing5 of the HeLa CCL-2 strain, examined point- and indel-mutation variations, mapped copy-number variations and loss of heterozygosity regions, and phased variants across full chromosome arms. We also investigated variation and copy-number profiles for HeLa S3 and eight additional strains. We find that HeLa is relatively stable in terms of point variation, with few new mutations accumulating after early passaging. Haplotype resolution facilitated reconstruction of an amplified, highly rearranged region of chromosome 8q24.21 at which integration of the human papilloma virus type 18 (HPV-18) genome occurred and that is likely to be the event that initiated tumorigenesis. We combined these maps with RNA-seq6 and ENCODE Project7 data sets to phase the HeLa epigenome. This revealed strong, haplotype-specific activation of the proto-oncogene MYC by the integrated HPV-18 genome approximately 500 kilobases upstream, and enabled global analyses of the relationship between gene dosage and expression. These data provide an extensively phased, high-quality reference genome for past and future experiments relying on HeLa, and demonstrate the value of haplotype resolution for characterizing cancer genomes and epigenomes.

Despite their importance in disease and evolution, highly identical segmental duplications (SDs) are among the last regions of the human reference genome (GRCh38) to be fully sequenced. Using a complete telomere-to-telomere human genome (T2T-CHM13), we present a comprehensive view of human SD organization. SDs account for nearly one-third of the additional sequence, increasing the genome-wide estimate from 5.4 to 7.0% [218 million base pairs (Mbp)]. An analysis of 268 human genomes shows that 91% of the previously unresolved T2T-CHM13 SD sequence (68.3 Mbp) better represents human copy number variation. Comparing long-read assemblies from human (

Pangenome references address biases of reference genomes by storing a representative set of diverse haplotypes and their alignment, usually as a graph. Alternate alleles determined by variant callers can be used to construct pangenome graphs, but advances in long-read sequencing are leading to widely available, high-quality phased assemblies. Constructing a pangenome graph directly from assemblies, as opposed to variant calls, leverages the graph’s ability to represent variation at different scales. Here we present the Minigraph-Cactus pangenome pipeline, which creates pangenomes directly from whole-genome alignments, and demonstrate its ability to scale to 90 human haplotypes from the Human Pangenome Reference Consortium. The method builds graphs containing all forms of genetic variation while allowing use of current mapping and genotyping tools. We measure the effect of the quality and completeness of reference genomes used for analysis within the pangenomes and show that using the CHM13 reference from the Telomere-to-Telomere Consortium improves the accuracy of our methods. We also demonstrate construction of a Drosophila melanogaster pangenome. Constructing genome graphs directly from genome assemblies overcomes single-reference bias.

ABSTRACT Despite their importance in disease and evolution, highly identical segmental duplications (SDs) have been among the last regions of the human reference genome (GRCh38) to be finished. Based on a complete telomere-to-telomere human genome (T2T-CHM13), we present the first comprehensive view of human SD organization. SDs account for nearly one-third of the additional sequence increasing the genome-wide estimate from 5.4% to 7.0% (218 Mbp). An analysis of 266 human genomes shows that 91% of the new T2T-CHM13 SD sequence (68.3 Mbp) better represents human copy number. We find that SDs show increased single-nucleotide variation diversity when compared to unique regions; we characterize methylation signatures that correlate with duplicate gene transcription and predict 182 novel protein-coding gene candidates. We find that 63% (35.11/55.7 Mbp) of acrocentric chromosomes consist of SDs distinct from rDNA and satellite sequences. Acrocentric SDs are 1.75-fold longer (p=0.00034) than other SDs, are frequently shared with autosomal pericentromeric regions, and are heteromorphic among human chromosomes. Comparing long-read assemblies from other human (n=12) and nonhuman primate (n=5) genomes, we use the T2T-CHM13 genome to systematically reconstruct the evolution and structural haplotype diversity of biomedically relevant ( LPA, SMN ) and duplicated genes ( TBC1D3, SRGAP2C, ARHGAP11B ) important in the expansion of the human frontal cortex. The analysis reveals unprecedented patterns of structural heterozygosity and massive evolutionary differences in SD organization between humans and their closest living relatives.

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 The prevalence of highly repetitive sequences within the human Y chromosome has led to its incomplete assembly and systematic omission from genomic analyses. Here, we present long-read de novo assemblies of 43 diverse Y chromosomes spanning 180,000 years of human evolution, including two from deep-rooted African Y lineages, and report remarkable complexity and diversity in chromosome size and structure, in contrast with its low level of base substitution variation. The size of the Y chromosome assemblies varies extensively from 45.2 to 84.9 Mbp and include, on average, 81 kbp of novel sequence per Y chromosome. Half of the male-specific euchromatic region is subject to large inversions with a >2-fold higher recurrence rate compared to inversions in the rest of the human genome. Ampliconic sequences associated with these inversions further show differing mutation rates that are sequence context-dependent and some ampliconic genes show evidence for concerted evolution with the acquisition and purging of lineage-specific pseudogenes. The largest heterochromatic region in the human genome, the Yq12, is composed of alternating arrays of DYZ1 and DYZ2 repeat units that show extensive variation in the number, size and distribution of these arrays, but retain a 1:1 copy number ratio of the monomer repeats, consistent with the notion that functional or evolutionary forces are acting on this chromosomal region. Finally, our data suggests that the boundary between the recombining pseudoautosomal region 1 and the non-recombining portions of the X and Y chromosomes lies 500 kbp distal to the currently established boundary. The availability of sequence-resolved Y chromosomes from multiple individuals provides a unique opportunity for identifying new associations of specific traits with Y-chromosomal variants and garnering novel insights into the evolution and function of complex regions of the human genome.