Abstract The increasing availability of long-reads is revolutionizing studies of structural variants (SVs). However, because SVs vary across individuals and are discovered through imprecise read technologies and methods, they can be difficult to compare. Addressing this, we present Jasmine ( https://github.com/mkirsche/Jasmine ), a fast and accurate method for SV refinement, comparison, and population analysis. Using an SV proximity graph, Jasmine outperforms five widely-used comparison methods, including reducing the rate of Mendelian discordance in trio datasets by more than five-fold, and reveals a set of high confidence de novo SVs confirmed by multiple long-read technologies. We also present a harmonized callset of 205,192 SVs from 31 samples of diverse ancestry sequenced with long reads. We genotype these SVs in 444 short read samples from the 1000 Genomes Project with both DNA and RNA sequencing data and assess their widespread impact on gene expression, including within several medically relevant genes.

Abstract ReadUntil sequencing allows nanopore devices to selectively eject individual reads from the pore in real-time. This could enable purely computational targeted sequencing, however most mapping methods require basecalling, which is computationally intensive. Here we present UNCALLED ( github.com/skovaka/UNCALLED ), an open-source mapper that rapidly matches streaming nanopore current signals to a reference sequence. UNCALLED probabilistically considers k-mers that the signal could represent, and then prunes the candidates based on the reference encoded within an FM-index. We used UNCALLED to deplete sequencing of known bacterial genomes within a metagenomics community, enriching the remaining species by 4.46 fold. UNCALLED also enriched 148 human genes associated with hereditary cancers to 29.6x coverage using one MinION flowcell, enabling accurate detection of SNPs, indels, structural variants (SVs), and methylation in these genes. Twice as many SVs were detected compared to 50x coverage Illumina sequencing, all verified by whole-genome nanopore and PacBio HiFi sequencing.

Abstract Genome-wide association studies (GWAS) have become well-powered to detect loci associated with telomere length. However, no prior work has validated genes nominated by GWAS to examine their role in telomere length regulation. We conducted a multi-ancestry meta-analysis of 211,369 individuals and identified five novel association signals. Enrichment analyses of chromatin state and cell-type heritability suggested that blood/immune cells are the most relevant cell type to examine telomere length association signals. We validated specific GWAS associations by overexpressing KBTBD6 or POP5 and demonstrated that both lengthened telomeres. CRISPR/Cas9 deletion of the predicted causal regions in K562 blood cells reduced expression of these genes, demonstrating that these loci are related to transcriptional regulation of KBTBD6 and POP5 . Our results demonstrate the utility of telomere length GWAS in the identification of telomere length regulation mechanisms and validate KBTBD6 and POP5 as genes affecting telomere length regulation.

Abstract Each human genome has tens of thousands of rare genetic variants; however, identifying impactful rare variants remains a major challenge. We demonstrate how use of personal multi-omics can enable identification of impactful rare variants by using the Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis (MESA) which included several hundred individuals with whole genome sequencing, transcriptomes, methylomes, and proteomes collected across two time points, ten years apart. We evaluated each multi-omic phenotype’s ability to separately and jointly inform functional rare variation. By combining expression and protein data, we observed rare stop variants 62x and rare frameshift variants 216x as frequently as controls, compared to 13x to 27x for expression or protein effects alone. We developed a Bayesian hierarchical model to prioritize specific rare variants underlying multi-omic signals across the regulatory cascade. With this approach, we identified rare variants that exhibited large effect sizes on multiple complex traits including height, schizophrenia, and Alzheimer’s disease.

Summary Genome in a Bottle (GIAB) benchmarks have been widely used to help validate clinical sequencing pipelines and develop new variant calling and sequencing methods. Here, we use accurate linked reads and long reads to expand the prior benchmarks in 7 samples to include difficult-to-map regions and segmental duplications that are not readily accessible to short reads. Our new benchmark adds more than 300,000 SNVs, 50,000 indels, and 16 % new exonic variants, many in challenging, clinically relevant genes not previously covered (e.g., PMS2 ). For HG002, we include 92% of the autosomal GRCh38 assembly, while excluding problematic regions for benchmarking small variants (e.g., copy number variants and reference errors) that should not have been in the previous version, which included 85% of GRCh38. By including difficult-to-map regions, this benchmark identifies eight times more false negatives in a short read variant call set relative to our previous benchmark.We have demonstrated the utility of this benchmark to reliably identify false positives and false negatives across technologies in more challenging regions, which enables continued technology and bioinformatics development.

Abstract Telomere length genome-wide association studies (GWAS) have become well-powered to detect novel genes in telomere length regulation. However, no prior work has validated these putative novel genes to confirm the contribution of GWAS loci to telomere length regulation. We conducted a trans-ancestry meta-analysis of 211,369 individuals. Through enrichment analyses of chromatin state and cell-type heritability we identified blood and immune cells as the most relevant cell type to examine telomere length association signals. We validated specific GWAS associations by overexpressing KBTBD6 , a component of an E3 ubiquitin ligase complex, and POP5 , a component of the Ribonuclease P/MRP complex, and demonstrating that both lengthened telomeres as predicted by our statistical analyses. CRISPR/Cas9 deletion of the predicted causal regions of these association peaks in K562 immortalized blood cells reduced expression of these genes, demonstrating that these loci are related to transcriptional regulation of KBTBD6 and POP5 , respectively. Together our results demonstrate the utility of telomere length GWAS in the identification of novel telomere length regulation mechanisms and highlight the importance of the proteasome-ubiquitin pathway in telomere length regulation.