Massively parallel DNA sequencing technologies are revolutionizing genomics by making it possible to generate billions of relatively short (~100-base) sequence reads at very low cost. Whereas such data can be readily used for a wide range of biomedical applications, it has proven difficult to use them to generate high-quality de novo genome assemblies of large, repeat-rich vertebrate genomes. To date, the genome assemblies generated from such data have fallen far short of those obtained with the older (but much more expensive) capillary-based sequencing approach. Here, we report the development of an algorithm for genome assembly, ALLPATHS-LG, and its application to massively parallel DNA sequence data from the human and mouse genomes, generated on the Illumina platform. The resulting draft genome assemblies have good accuracy, short-range contiguity, long-range connectivity, and coverage of the genome. In particular, the base accuracy is high (≥99.95%) and the scaffold sizes (N50 size = 11.5 Mb for human and 7.2 Mb for mouse) approach those obtained with capillary-based sequencing. The combination of improved sequencing technology and improved computational methods should now make it possible to increase dramatically the de novo sequencing of large genomes. The ALLPATHS-LG program is available at http://www.broadinstitute.org/science/programs/genome-biology/crd .

To resolve cellular heterogeneity, we developed a combinatorial indexing strategy to profile the transcriptomes of single cells or nuclei, termed sci-RNA-seq (single-cell combinatorial indexing RNA sequencing). We applied sci-RNA-seq to profile nearly 50,000 cells from the nematode Caenorhabditis elegans at the L2 larval stage, which provided >50-fold "shotgun" cellular coverage of its somatic cell composition. From these data, we defined consensus expression profiles for 27 cell types and recovered rare neuronal cell types corresponding to as few as one or two cells in the L2 worm. We integrated these profiles with whole-animal chromatin immunoprecipitation sequencing data to deconvolve the cell type-specific effects of transcription factors. The data generated by sci-RNA-seq constitute a powerful resource for nematode biology and foreshadow similar atlases for other organisms.

Summary

 Nucleosome positioning varies between cell types. By deep sequencing cell-free DNA (cfDNA), isolated from circulating blood plasma, we generated maps of genome-wide in vivo nucleosome occupancy and found that short cfDNA fragments harbor footprints of transcription factors. The cfDNA nucleosome occupancies correlate well with the nuclear architecture, gene structure, and expression observed in cells, suggesting that they could inform the cell type of origin. Nucleosome spacing inferred from cfDNA in healthy individuals correlates most strongly with epigenetic features of lymphoid and myeloid cells, consistent with hematopoietic cell death as the normal source of cfDNA. We build on this observation to show how nucleosome footprints can be used to infer cell types contributing to cfDNA in pathological states such as cancer. Since this strategy does not rely on genetic differences to distinguish between contributing tissues, it may enable the noninvasive monitoring of a much broader set of clinical conditions than currently possible. 

PaperClip

Although we can increasingly measure transcription, chromatin, methylation, and other aspects of molecular biology at single-cell resolution, most assays survey only one aspect of cellular biology. Here we describe sci-CAR, a combinatorial indexing-based coassay that jointly profiles chromatin accessibility and mRNA (CAR) in each of thousands of single cells. As a proof of concept, we apply sci-CAR to 4825 cells, including a time series of dexamethasone treatment, as well as to 11,296 cells from the adult mouse kidney. With the resulting data, we compare the pseudotemporal dynamics of chromatin accessibility and gene expression, reconstruct the chromatin accessibility profiles of cell types defined by RNA profiles, and link cis-regulatory sites to their target genes on the basis of the covariance of chromatin accessibility and transcription across large numbers of single cells.

We applied a combinatorial indexing assay, sci-ATAC-seq, to profile genome-wide chromatin accessibility in ∼100,000 single cells from 13 adult mouse tissues. We identify 85 distinct patterns of chromatin accessibility, most of which can be assigned to cell types, and ∼400,000 differentially accessible elements. We use these data to link regulatory elements to their target genes, to define the transcription factor grammar specifying each cell type, and to discover in vivo correlates of heterogeneity in accessibility within cell types. We develop a technique for mapping single cell gene expression data to single-cell chromatin accessibility data, facilitating the comparison of atlases. By intersecting mouse chromatin accessibility with human genome-wide association summary statistics, we identify cell-type-specific enrichments of the heritability signal for hundreds of complex traits. These data define the in vivo landscape of the regulatory genome for common mammalian cell types at single-cell resolution.

Linking regulatory DNA elements to their target genes, which may be located hundreds of kilobases away, remains challenging. Here, we introduce Cicero, an algorithm that identifies co-accessible pairs of DNA elements using single-cell chromatin accessibility data and so connects regulatory elements to their putative target genes. We apply Cicero to investigate how dynamically accessible elements orchestrate gene regulation in differentiating myoblasts. Groups of Cicero-linked regulatory elements meet criteria of "chromatin hubs"-they are enriched for physical proximity, interact with a common set of transcription factors, and undergo coordinated changes in histone marks that are predictive of changes in gene expression. Pseudotemporal analysis revealed that most DNA elements remain in chromatin hubs throughout differentiation. A subset of elements bound by MYOD1 in myoblasts exhibit early opening in a PBX1- and MEIS1-dependent manner. Our strategy can be applied to dissect the architecture, sequence determinants, and mechanisms of cis-regulation on a genome-wide scale.

Variants of uncertain significance fundamentally limit the clinical utility of genetic information. The challenge they pose is epitomized by BRCA1, a tumour suppressor gene in which germline loss-of-function variants predispose women to breast and ovarian cancer. Although BRCA1 has been sequenced in millions of women, the risk associated with most newly observed variants cannot be definitively assigned. Here we use saturation genome editing to assay 96.5% of all possible single-nucleotide variants (SNVs) in 13 exons that encode functionally critical domains of BRCA1. Functional effects for nearly 4,000 SNVs are bimodally distributed and almost perfectly concordant with established assessments of pathogenicity. Over 400 non-functional missense SNVs are identified, as well as around 300 SNVs that disrupt expression. We predict that these results will be immediately useful for the clinical interpretation of BRCA1 variants, and that this approach can be extended to overcome the challenge of variants of uncertain significance in additional clinically actionable genes. Germline BRCA1 loss-of-function variants are associated with predisposition to early-onset breast and ovarian cancer; here the authors use CRISPR/Cas9 genome editing to functionally assess thousands of BRCA1 variants in order to facilitate the clinical interpretation of these variants.

Malignant tumors shed DNA into the circulation. The transient half-life of circulating tumor DNA (ctDNA) may afford the opportunity to diagnose, monitor recurrence, and evaluate response to therapy solely through a non-invasive blood draw. However, detecting ctDNA against the normally occurring background of cell-free DNA derived from healthy cells has proven challenging, particularly in non-metastatic solid tumors. In this study, distinct differences in fragment length size between ctDNAs and normal cell-free DNA are defined. Human ctDNA in rat plasma derived from human glioblastoma multiforme stem-like cells in the rat brain and human hepatocellular carcinoma in the rat flank were found to have a shorter principal fragment length than the background rat cell-free DNA (134–144 bp vs. 167 bp, respectively). Subsequently, a similar shift in the fragment length of ctDNA in humans with melanoma and lung cancer was identified compared to healthy controls. Comparison of fragment lengths from cell-free DNA between a melanoma patient and healthy controls found that the BRAF V600E mutant allele occurred more commonly at a shorter fragment length than the fragment length of the wild-type allele (132–145 bp vs. 165 bp, respectively). Moreover, size-selecting for shorter cell-free DNA fragment lengths substantially increased the EGFR T790M mutant allele frequency in human lung cancer. These findings provide compelling evidence that experimental or bioinformatic isolation of a specific subset of fragment lengths from cell-free DNA may improve detection of ctDNA.

The genomics of human development Understanding the trajectory of a developing human requires an understanding of how genes are regulated and expressed. Two papers now present a pooled approach using three levels of combinatorial indexing to examine the single-cell gene expression and chromatin landscapes from 15 organs in fetal samples. Cao et al. focus on measurements of RNA in broadly distributed cell types and provide insights into organ specificity. Domcke et al. examined the chromatin accessibility of cells from these organs and identify the regulatory elements that regulate gene expression. Together, these analyses generate comprehensive atlases of early human development. Science , this issue p. eaba7721 , p. eaba7612

Laszlo et al. demonstrate sequence alignment, and proof-of-concept organism identification, genome assembly and polymorphism detection from nanopore analysis of natural DNA. Nanopore sequencing of DNA is a single-molecule technique that may achieve long reads, low cost and high speed with minimal sample preparation and instrumentation. Here, we build on recent progress with respect to nanopore resolution and DNA control to interpret the procession of ion current levels observed during the translocation of DNA through the pore MspA. As approximately four nucleotides affect the ion current of each level, we measured the ion current corresponding to all 256 four-nucleotide combinations (quadromers). This quadromer map is highly predictive of ion current levels of previously unmeasured sequences derived from the bacteriophage phi X 174 genome. Furthermore, we show nanopore sequencing reads of phi X 174 up to 4,500 bases in length, which can be unambiguously aligned to the phi X 174 reference genome, and demonstrate proof-of-concept utility with respect to hybrid genome assembly and polymorphism detection. This work provides a foundation for nanopore sequencing of long, natural DNA strands.