Evan Eichler and colleagues use single-molecule molecular-inversion probes to sequence the coding and splicing regions of 208 candidate genes in more than 11,730 individuals with neurodevelopmental disorders. They report 91 genes with an excess of de novo or private disruptive mutations, identify 25 genes showing a bias for autism versus intellectual disability, and highlight a network associated with high-functioning autism. Gene-disruptive mutations contribute to the biology of neurodevelopmental disorders (NDDs), but most of the related pathogenic genes are not known. We sequenced 208 candidate genes from >11,730 cases and >2,867 controls. We identified 91 genes, including 38 new NDD genes, with an excess of de novo mutations or private disruptive mutations in 5.7% of cases. Drosophila functional assays revealed a subset with increased involvement in NDDs. We identified 25 genes showing a bias for autism versus intellectual disability and highlighted a network associated with high-functioning autism (full-scale IQ >100). Clinical follow-up for NAA15, KMT5B, and ASH1L highlighted new syndromic and nonsyndromic forms of disease.

Abstract Here the Human Pangenome Reference Consortium presents a first draft of the human pangenome reference. The pangenome contains 47 phased, diploid assemblies from a cohort of genetically diverse individuals 1 . These assemblies cover more than 99% of the expected sequence in each genome and are more than 99% accurate at the structural and base pair levels. Based on alignments of the assemblies, we generate a draft pangenome that captures known variants and haplotypes and reveals new alleles at structurally complex loci. We also add 119 million base pairs of euchromatic polymorphic sequences and 1,115 gene duplications relative to the existing reference GRCh38. Roughly 90 million of the additional base pairs are derived from structural variation. Using our draft pangenome to analyse short-read data reduced small variant discovery errors by 34% and increased the number of structural variants detected per haplotype by 104% compared with GRCh38-based workflows, which enabled the typing of the vast majority of structural variant alleles per sample.

In an effort to more fully understand the full spectrum of human genetic variation, we generated deep single-molecule, real-time (SMRT) sequencing data from two haploid human genomes. By using an assembly-based approach (SMRT-SV), we systematically assessed each genome independently for structural variants (SVs) and indels resolving the sequence structure of 461,553 genetic variants from 2 bp to 28 kbp in length. We find that >89% of these variants have been missed as part of analysis of the 1000 Genomes Project even after adjusting for more common variants (MAF > 1%). We estimate that this theoretical human diploid differs by as much as ∼16 Mbp with respect to the human reference, with long-read sequencing data providing a fivefold increase in sensitivity for genetic variants ranging in size from 7 bp to 1 kbp compared with short-read sequence data. Although a large fraction of genetic variants were not detected by short-read approaches, once the alternate allele is sequence-resolved, we show that 61% of SVs can be genotyped in short-read sequence data sets with high accuracy. Uncoupling discovery from genotyping thus allows for the majority of this missed common variation to be genotyped in the human population. Interestingly, when we repeat SV detection on a pseudodiploid genome constructed in silico by merging the two haploids, we find that ∼59% of the heterozygous SVs are no longer detected by SMRT-SV. These results indicate that haploid resolution of long-read sequencing data will significantly increase sensitivity of SV detection.

A spotlight on great ape genomes Most nonhuman primate genomes generated to date have been “humanized” owing to their many gaps and the reliance on guidance by the reference human genome. To remove this humanizing effect, Kronenberg et al. generated and assembled long-read genomes of a chimpanzee, an orangutan, and two humans and compared them with a previously generated gorilla genome. This analysis recognized genomic structural variation specific to humans and particular ape lineages. Comparisons between human and chimpanzee cerebral organoids showed down-regulation of the expression of specific genes in humans, relative to chimpanzees, related to noncoding variation identified in this analysis. Science , this issue p. eaar6343

To further our understanding of the genetic etiology of autism, we generated and analyzed genome sequence data from 516 idiopathic autism families (2,064 individuals). This resource includes >59 million single-nucleotide variants (SNVs) and 9,212 private copy number variants (CNVs), of which 133,992 and 88 are de novo mutations (DNMs), respectively. We estimate a mutation rate of ∼1.5 × 10-8 SNVs per site per generation with a significantly higher mutation rate in repetitive DNA. Comparing probands and unaffected siblings, we observe several DNM trends. Probands carry more gene-disruptive CNVs and SNVs, resulting in severe missense mutations and mapping to predicted fetal brain promoters and embryonic stem cell enhancers. These differences become more pronounced for autism genes (p = 1.8 × 10-3, OR = 2.2). Patients are more likely to carry multiple coding and noncoding DNMs in different genes, which are enriched for expression in striatal neurons (p = 3 × 10-3), suggesting a path forward for genetically characterizing more complex cases of autism.

Abstract Recurrent de novo (DN) and likely gene-disruptive (LGD) mutations contribute significantly to autism spectrum disorders (ASDs) but have been primarily investigated in European cohorts. Here, we sequence 189 risk genes in 1,543 Chinese ASD probands (1,045 from trios). We report an 11-fold increase in the odds of DN LGD mutations compared with expectation under an exome-wide neutral model of mutation. In aggregate, ∼4% of ASD patients carry a DN mutation in one of just 29 autism risk genes. The most prevalent gene for recurrent DN mutations is SCN2A (1.1% of patients) followed by CHD8 , DSCAM , MECP2 , POGZ , WDFY3 and ASH1L . We identify novel DN LGD recurrences ( GIGYF2 , MYT1L , CUL3 , DOCK8 and ZNF292 ) and DN mutations in previous ASD candidates ( ARHGAP32 , NCOR1 , PHIP , STXBP1 , CDKL5 and SHANK1 ). Phenotypic follow-up confirms potential subtypes and highlights how large global cohorts might be leveraged to prove the pathogenic significance of individually rare mutations.

Abstract The complete assembly of each human chromosome is essential for understanding human biology and evolution 1,2 . Here we use complementary long-read sequencing technologies to complete the linear assembly of human chromosome 8. Our assembly resolves the sequence of five previously long-standing gaps, including a 2.08-Mb centromeric α-satellite array, a 644-kb copy number polymorphism in the β-defensin gene cluster that is important for disease risk, and an 863-kb variable number tandem repeat at chromosome 8q21.2 that can function as a neocentromere. We show that the centromeric α-satellite array is generally methylated except for a 73-kb hypomethylated region of diverse higher-order α-satellites enriched with CENP-A nucleosomes, consistent with the location of the kinetochore. In addition, we confirm the overall organization and methylation pattern of the centromere in a diploid human genome. Using a dual long-read sequencing approach, we complete high-quality draft assemblies of the orthologous centromere from chromosome 8 in chimpanzee, orangutan and macaque to reconstruct its evolutionary history. Comparative and phylogenetic analyses show that the higher-order α-satellite structure evolved in the great ape ancestor with a layered symmetry, in which more ancient higher-order repeats locate peripherally to monomeric α-satellites. We estimate that the mutation rate of centromeric satellite DNA is accelerated by more than 2.2-fold compared to the unique portions of the genome, and this acceleration extends into the flanking sequence.

Despite their importance in disease and evolution, highly identical segmental duplications (SDs) are among the last regions of the human reference genome (GRCh38) to be fully sequenced. Using a complete telomere-to-telomere human genome (T2T-CHM13), we present a comprehensive view of human SD organization. SDs account for nearly one-third of the additional sequence, increasing the genome-wide estimate from 5.4 to 7.0% [218 million base pairs (Mbp)]. An analysis of 268 human genomes shows that 91% of the previously unresolved T2T-CHM13 SD sequence (68.3 Mbp) better represents human copy number variation. Comparing long-read assemblies from human (

Whole-exome and whole-genome sequencing have facilitated the large-scale discovery of de novo variants in human disease. To date, most de novo discovery through next-generation sequencing focused on congenital heart disease and neurodevelopmental disorders (NDDs). Currently, de novo variants are one of the most significant risk factors for NDDs with a substantial overlap of genes involved in more than one NDD. To facilitate better usage of published data, provide standardization of annotation, and improve accessibility, we created denovo-db (http://denovo-db.gs.washington.edu), a database for human de novo variants. As of July 2016, denovo-db contained 40 different studies and 32,991 de novo variants from 23,098 trios. Database features include basic variant information (chromosome location, change, type); detailed annotation at the transcript and protein levels; severity scores; frequency; validation status; and, most importantly, the phenotype of the individual with the variant. We included a feature on our browsable website to download any query result, including a downloadable file of the full database with additional variant details. denovo-db provides necessary information for researchers to compare their data to other individuals with the same phenotype and also to controls allowing for a better understanding of the biology of de novo variants and their contribution to disease.