Abstract Due to its highly repetitive nature, the human male-specific Y chromosome remains understudied. It is important to investigate variation on the Y chromosome to understand its evolution and contribution to phenotypic variation, including infertility. Approximately 20% of the human Y chromosome consists of ampliconic regions which include nine multi-copy gene families. These gene families are expressed exclusively in testes and usually implicated in spermatogenesis. Here, to gain a better understanding of the role of the Y chromosome in human evolution and in determining sexually dimorphic traits, we studied ampliconic gene copy number variation in 100 males representing ten major Y haplogroups world-wide. Copy number was estimated with droplet digital PCR. In contrast to low nucleotide diversity observed on the Y in previous studies, here we show that ampliconic gene copy number diversity is very high. A total of 98 copy-number-based haplotypes were observed among 100 individuals, and haplotypes were sometimes shared by males from very different haplogroups, suggesting homoplasies. The resulting haplotypes did not cluster according to major Y haplogroups. Overall, only three gene families ( DATZ, RBMY, TSPY ) showed significant differences in copy number among major Y haplogroups, and the haplogroup of an individual could not be predicted based on his ampliconic gene copy numbers. Finally, we found a significant correlation between copy number variation and individual’s height (for three gene families), but not between the former and facial masculinity/femininity. Our results suggest rapid evolution of ampliconic gene copy numbers on the human Y, and we discuss its causes.

ABSTRACT Y-chromosomal Ampliconic Genes (YAGs) are important for male fertility, as they encode proteins functioning in spermatogenesis. The variation in copy number and expression levels of these multicopy gene families has been recently studied in great apes, however, the diversity of splicing variants remains unexplored. Here we deciphered the sequences of polyadenylated transcripts of all nine YAG families ( BPY2 , CDY , DAZ , HSFY , PRY , RBMY , TSPY , VCY , and XKRY ) from testis samples of six great ape species (human, chimpanzee, bonobo, gorilla, Bornean orangutan, and Sumatran orangutan). To achieve this, we enriched YAG transcripts with capture-probe hybridization and sequenced them with long (Pacific Biosciences) reads. Our analysis of this dataset resulted in several findings. First, we uncovered a high diversity of YAG transcripts across great apes. Second, we observed evolutionarily conserved alternative splicing patterns for most YAG families except for BPY2 and PRY . Our results suggest that BPY2 transcripts and predicted proteins in several great ape species (bonobo and the two orangutans) have independent evolutionary origins and are not homologous to human reference transcripts and proteins. In contrast, our results suggest that the PRY gene family, having the highest representation of transcripts without open reading frames, has been undergoing pseudogenization. Third, even though we have identified many species-specific protein-coding YAG transcripts, we have not detected any signatures of positive selection. Overall, our work illuminates the YAG isoform landscape and its evolutionary history, and provides a genomic resource for future functional studies focusing on infertility phenotypes in humans and critically endangered great apes.

Abstract A significant portion of genes in vertebrate genomes belongs to multigene families, with each family containing several gene copies whose presence/absence can be highly variable across individuals. For example, each Y chromosome ampliconic gene family harbors several nearly identical (up to 99.99%) gene copies. Existing de novo techniques for assaying the sequences of such highly-similar gene families fall short of reconstructing end to end transcripts with nucleotide-level precision or assigning them to their respective gene copies. We present IsoCon, a novel approach that combines experimental and computational techniques that leverage the power of long PacBio Iso-Seq reads to determine the full-length transcripts of highly similar multicopy gene families. IsoCon uses a cautiously iterative process to correct errors, followed by a statistical framework that allows it to distinguish errors from true variants with high precision. IsoCon outperforms existing methods for transcriptome analysis of Y ampliconic gene families in both simulated and real human data and is able to detect rare transcripts that differ by as little as one base pair from much more abundant transcripts. IsoCon has allowed us to detect an unprecedented number of novel isoforms, as well as to derive estimates on the number of gene copies in human Y ampliconic gene families.

The mammalian male-specific Y chromosome plays a critical role in sex determination and male fertility. However, because of its repetitive and haploid nature, it is frequently absent from genome assemblies and remains enigmatic. The Y chromosomes of great apes represent a particular puzzle: their gene content is more similar between human and gorilla than between human and chimpanzee, even though human and chimpanzee shared a more recent common ancestor. To solve this puzzle, here we constructed a dataset including Ys from all extant great ape genera. We generated assemblies of bonobo and orangutan Ys, from short and long sequencing reads, and aligned them with the publicly available human, chimpanzee and gorilla Y assemblies. Analyzing this dataset, we found that the genus Pan , including chimpanzee and bonobo, experienced accelerated substitution rates. Additionally, Pan also exhibited elevated gene death rates. These observations are consistent with high levels of sperm competition in Pan . Furthermore, we inferred that the great ape common ancestor already possessed multi-copy sequences homologous to most human and chimpanzee palindromes. Nonetheless, each species also acquired distinct ampliconic sequences. We also detected increased chromatin contacts between and within palindromes (from Hi-C data), likely facilitating gene conversion and structural rearrangements. Moreover, our ENCODE data analysis suggested that Y palindromes exist to promote gene conversion preventing degradation of not only genes, as is commonly believed, but also gene regulatory sites. Our results highlight the dynamic mode of Y chromosome evolution, and open avenues for studies of male-specific dispersal in endangered great ape species.

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

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.

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.