High-throughput complementary DNA sequencing technologies have advanced our understanding of transcriptome complexity and regulation. However, these methods lose information contained in biological RNA because the copied reads are often short and modifications are not retained. We address these limitations using a native poly(A) RNA sequencing strategy developed by Oxford Nanopore Technologies. Our study generated 9.9 million aligned sequence reads for the human cell line GM12878, using thirty MinION flow cells at six institutions. These native RNA reads had a median length of 771 bases, and a maximum aligned length of over 21,000 bases. Mitochondrial poly(A) reads provided an internal measure of read-length quality. We combined these long nanopore reads with higher accuracy short-reads and annotated GM12878 promoter regions to identify 33,984 plausible RNA isoforms. We describe strategies for assessing 3' poly(A) tail length, base modifications and transcript haplotypes.

Despite recent improvements in sequencing methods, there remains a need for assays that provide high sequencing depth and comprehensive variant detection. Current methods1–4 are limited by the loss of native modifications, short read length, high input requirements, low yield or long protocols. In the present study, we describe nanopore Cas9-targeted sequencing (nCATS), an enrichment strategy that uses targeted cleavage of chromosomal DNA with Cas9 to ligate adapters for nanopore sequencing. We show that nCATS can simultaneously assess haplotype-resolved single-nucleotide variants, structural variations and CpG methylation. We apply nCATS to four cell lines, to a cell-line-derived xenograft, and to normal and paired tumor/normal primary human breast tissue. Median sequencing coverage was 675× using a MinION flow cell and 34× using the smaller Flongle flow cell. The nCATS sequencing requires only ~3 μg of genomic DNA and can target a large number of loci in a single reaction. The method will facilitate the use of long-read sequencing in research and in the clinic. Point mutations, structural variants and DNA methylation at target loci are assessed by nanopore sequencing.

Understanding how the genome and the epigenome work together to control gene transcription has applications in our understanding of diseases such as human cancer. In this study, we combine the ability of NOMe-seq to simultaneously evaluate CpG methylation and chromatin accessibility, with long-read nanopore sequencing technology, a method we call nanoNOMe. We generated >60Gb whole-genome nanopore sequencing data for each of four human cell lines (GM12878, MCF-10A, MCF-7, MDA-MB-231) including repetitive regions inaccessible by short read sequencing. Using the long reads, we find that we can observe phased methylation and chromatin accessibility, large scale pattern changes, and genetic changes such as structural variations from a single assay.

Nanopore sequencing technology can rapidly and directly interrogate native DNA molecules. Often we are interested only in interrogating specific areas at high depth, but conventional enrichment methods have thus far proved unsuitable for long reads[1][1]. Existing strategies are currently limited by high input DNA requirements, low yield, short (<5kb) reads, time-intensive protocols, and/or amplification or cloning (losing base modification information). In this paper, we describe a technique utilizing the ability of Cas9 to introduce cuts at specific locations and ligating nanopore sequencing adaptors directly to those sites, a method we term ‘nanopore Cas9 Targeted-Sequencing’ (nCATS).We have demonstrated this using an Oxford Nanopore MinION flow cell (Capacity >10Gb+) to generate a median 165X coverage at 10 genomic loci with a median length of 18kb, representing a several hundred-fold improvement over the 2-3X coverage achieved without enrichment. We performed a pilot run on the smaller Flongle flow cell (Capacity ~1Gb), generating a median coverage of 30X at 11 genomic loci with a median length of 18kb. Using panels of guide RNAs, we show that the high coverage data from this method enables us to (1) profile DNA methylation patterns at cancer driver genes, (2) detect structural variations at known hot spots, and (3) survey for the presence of single nucleotide mutations. Together, this provides a low-cost method that can be applied even in low resource settings to directly examine cellular DNA. This technique has extensive clinical applications for assessing medically relevant genes and has the versatility to be a rapid and comprehensive diagnostic tool. We demonstrate applications of this technique by examining the well-characterized GM12878 cell line as well as three breast cell lines (MCF-10A, MCF-7, MDA-MB-231) with varying tumorigenic potential as a model for cancer.Contributions TG and WT constructed the study. TG performed the experiments. TG, IL, and FS analyzed the data. TG, JG, ER, RB and AH and developed the method. TG and WT wrote the paper [1]: #ref-1

ABSTRACT The mitochondrial genome (mtDNA) is an important source of disease-causing genetic variability, but existing sequencing methods limit understanding, precluding phased measurement of mutations and clear detection of large sporadic deletions. We adapted a method for amplification-free sequence enrichment using Cas9 cleavage to obtain full length nanopore reads of mtDNA. We then utilized the long reads to phase mutations in a patient with an mtDNA-linked syndrome and demonstrated that this method can map age-induced mtDNA deletions. We believe this method will offer deeper insight into our understanding of mtDNA variation.

High throughput RNA sequencing technologies have dramatically advanced our understanding of transcriptome complexity and regulation. However, these cDNA-based methods lose information contained in biological RNA because the copied reads are short or because modifications are not carried forward in cDNA. Here we address these limitations using a native poly(A) RNA sequencing strategy developed by Oxford Nanopore Technologies (ONT). Our study focused on poly(A) RNA isolated from the human cell line GM12878, from which we sequenced approximately 9.9 million individual aligned strands. These native RNA sequence reads had an N50 length of 1334 bases, and a maximum length of 22,000 bases. A total of 78,199 high-confidence isoforms were identified by combining long nanopore reads with short higher accuracy Illumina reads. Among these isoforms, over 50% are not present in GENCODE v24. We describe strategies for assessing 3'poly(A) tail length, base modifications and transcript haplotypes using this single molecule technology. Together, these nanopore-based techniques are poised to deliver new insights into RNA biology.

Generating high-coverage sequencing coverage at select genomic loci has extensive applications in both research science and genetic medicine. Long-read sequencing technologies (e.g. nanopore sequencing) have expanded our ability to generate sequencing data in regions (e.g. repetitive elements) that are difficult to interrogate with short-read sequencing methods. In work presented here, we expand on our previous work using CRISPR/Cas9 for targeted nanopore sequencing by using in vitro transcribed guideRNAs, with 1100 guideRNAs in a single experiment. This approach decreases the cost per guideRNA, increases the number of guideRNAs that can be multiplexed in a single experiment, and provides a way to rapidly screen numerous guideRNAs for cutting efficiency. We apply this strategy in multiple patient-derived pancreatic cancer cell lines, demonstrating its ability to unveil structural variation in "deletion hotspots" around the tumor suppressor genes p16 (CDKN2A), and SMAD4.