A variety of microbial communities and their genes (the microbiome) exist throughout the human body, with fundamental roles in human health and disease. The National Institutes of Health (NIH)-funded Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to develop metagenomic protocols, resulting in a broad range of quality-controlled resources and data including standardized methods for creating, processing and interpreting distinct types of high-throughput metagenomic data available to the scientific community. Here we present resources from a population of 242 healthy adults sampled at 15 or 18 body sites up to three times, which have generated 5,177 microbial taxonomic profiles from 16S ribosomal RNA genes and over 3.5 terabases of metagenomic sequence so far. In parallel, approximately 800 reference strains isolated from the human body have been sequenced. Collectively, these data represent the largest resource describing the abundance and variety of the human microbiome, while providing a framework for current and future studies. The Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to study a variety of microbial communities that exist throughout the human body, enabling the generation of a range of quality-controlled data as well as community resources. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

Here we present a draft genome sequence of the common chimpanzee (Pan troglodytes). Through comparison with the human genome, we have generated a largely complete catalogue of the genetic differences that have accumulated since the human and chimpanzee species diverged from our common ancestor, constituting approximately thirty-five million single-nucleotide changes, five million insertion/deletion events, and various chromosomal rearrangements. We use this catalogue to explore the magnitude and regional variation of mutational forces shaping these two genomes, and the strength of positive and negative selection acting on their genes. In particular, we find that the patterns of evolution in human and chimpanzee protein-coding genes are highly correlated and dominated by the fixation of neutral and slightly deleterious alleles. We also use the chimpanzee genome as an outgroup to investigate human population genetics and identify signatures of selective sweeps in recent human evolution.

Methods for detecting nucleotide substitution rates that are faster or slower than expected under neutral drift are widely used to identify candidate functional elements in genomic sequences. However, most existing methods consider either reductions (conservation) or increases (acceleration) in rate but not both, or assume that selection acts uniformly across the branches of a phylogeny. Here we examine the more general problem of detecting departures from the neutral rate of substitution in either direction, possibly in a clade-specific manner. We consider four statistical, phylogenetic tests for addressing this problem: a likelihood ratio test, a score test, a test based on exact distributions of numbers of substitutions, and the genomic evolutionary rate profiling (GERP) test. All four tests have been implemented in a freely available program called phyloP. Based on extensive simulation experiments, these tests are remarkably similar in statistical power. With 36 mammalian species, they all appear to be capable of fairly good sensitivity with low false-positive rates in detecting strong selection at individual nucleotides, moderate selection in 3-bp elements, and weaker or clade-specific selection in longer elements. By applying phyloP to mammalian multiple alignments from the ENCODE project, we shed light on patterns of conservation/acceleration in known and predicted functional elements, approximate fractions of sites subject to constraint, and differences in clade-specific selection in the primate and glires clades. We also describe new "Conservation" tracks in the UCSC Genome Browser that display both phyloP and phastCons scores for genome-wide alignments of 44 vertebrate species.

The comparison of related genomes has emerged as a powerful lens for genome interpretation. Here we report the sequencing and comparative analysis of 29 eutherian genomes. We confirm that at least 5.5% of the human genome has undergone purifying selection, and locate constrained elements covering ∼4.2% of the genome. We use evolutionary signatures and comparisons with experimental data sets to suggest candidate functions for ∼60% of constrained bases. These elements reveal a small number of new coding exons, candidate stop codon readthrough events and over 10,000 regions of overlapping synonymous constraint within protein-coding exons. We find 220 candidate RNA structural families, and nearly a million elements overlapping potential promoter, enhancer and insulator regions. We report specific amino acid residues that have undergone positive selection, 280,000 non-coding elements exapted from mobile elements and more than 1,000 primate- and human-accelerated elements. Overlap with disease-associated variants indicates that our findings will be relevant for studies of human biology, health and disease. This comparative genomics study, comparing the complete human genome sequence with those of 29 placental mammals, including chimpanzees, mice and dogs, identifies 4.2% of the human genome as constrained by evolutionary selection, and ascribes a potential function to about 60% of these constrained bases. A series of evolutionary signatures emerges, providing insights into coding and non-coding functional genomic elements, candidate RNA structural families and aspects of genome organization and evolution. Overlap with disease-associated variants indicates that the findings will be relevant for studies of human disease.

Ageing is characterized by a progressive loss of physiological integrity, leading to impaired function and increased vulnerability to death1. Despite rapid advances over recent years, many of the molecular and cellular processes that underlie the progressive loss of healthy physiology are poorly understood2. To gain a better insight into these processes, here we generate a single-cell transcriptomic atlas across the lifespan of Mus musculus that includes data from 23 tissues and organs. We found cell-specific changes occurring across multiple cell types and organs, as well as age-related changes in the cellular composition of different organs. Using single-cell transcriptomic data, we assessed cell-type-specific manifestations of different hallmarks of ageing-such as senescence3, genomic instability4 and changes in the immune system2. This transcriptomic atlas-which we denote Tabula Muris Senis, or 'Mouse Ageing Cell Atlas'-provides molecular information about how the most important hallmarks of ageing are reflected in a broad range of tissues and cell types.

Comprehensive, high-quality reference genomes are required for functional characterization and taxonomic assignment of the human gut microbiota. We present the Unified Human Gastrointestinal Genome (UHGG) collection, comprising 204,938 nonredundant genomes from 4,644 gut prokaryotes. These genomes encode >170 million protein sequences, which we collated in the Unified Human Gastrointestinal Protein (UHGP) catalog. The UHGP more than doubles the number of gut proteins in comparison to those present in the Integrated Gene Catalog. More than 70% of the UHGG species lack cultured representatives, and 40% of the UHGP lack functional annotations. Intraspecies genomic variation analyses revealed a large reservoir of accessory genes and single-nucleotide variants, many of which are specific to individual human populations. The UHGG and UHGP collections will enable studies linking genotypes to phenotypes in the human gut microbiome. More than 200,000 gut prokaryotic reference genomes and the proteins they encode are collated, providing comprehensive resources for microbiome researchers.

The December 2019 outbreak of a novel respiratory virus, SARS-CoV-2, has become an ongoing global pandemic due in part to the challenge of identifying symptomatic, asymptomatic, and pre-symptomatic carriers of the virus. CRISPR diagnostics can augment gold-standard PCR-based testing if they can be made rapid, portable, and accurate. Here, we report the development of an amplification-free CRISPR-Cas13a assay for direct detection of SARS-CoV-2 from nasal swab RNA that can be read with a mobile phone microscope. The assay achieved ∼100 copies/μL sensitivity in under 30 min of measurement time and accurately detected pre-extracted RNA from a set of positive clinical samples in under 5 min. We combined crRNAs targeting SARS-CoV-2 RNA to improve sensitivity and specificity and directly quantified viral load using enzyme kinetics. Integrated with a reader device based on a mobile phone, this assay has the potential to enable rapid, low-cost, point-of-care screening for SARS-CoV-2.

We show that a citizen science, self-selected cohort shipping samples through the mail at room temperature recaptures many known microbiome results from clinically collected cohorts and reveals new ones. Of particular interest is integrating n = 1 study data with the population data, showing that the extent of microbiome change after events such as surgery can exceed differences between distinct environmental biomes, and the effect of diverse plants in the diet, which we confirm with untargeted metabolomics on hundreds of samples.

Significance The novel severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the cause of COVID-19, a major pandemic that threatens millions of human lives and the global economy. We identified a large number of mammals that can potentially be infected by SARS-CoV-2 via their ACE2 proteins. This can assist the identification of intermediate hosts for SARS-CoV-2 and hence reduce the opportunity for a future outbreak of COVID-19. Among the species we found with the highest risk for SARS-CoV-2 infection are wildlife and endangered species. These species represent an opportunity for spillover of SARS-CoV-2 from humans to other susceptible animals. Given the limited infectivity data for the species studied, we urge caution not to overinterpret the predictions of the present study.