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.

We performed whole-genome sequencing (WGS) of 208 genomes from 53 families affected by simplex autism. For the majority of these families, no copy-number variant (CNV) or candidate de novo gene-disruptive single-nucleotide variant (SNV) had been detected by microarray or whole-exome sequencing (WES). We integrated multiple CNV and SNV analyses and extensive experimental validation to identify additional candidate mutations in eight families. We report that compared to control individuals, probands showed a significant (p = 0.03) enrichment of de novo and private disruptive mutations within fetal CNS DNase I hypersensitive sites (i.e., putative regulatory regions). This effect was only observed within 50 kb of genes that have been previously associated with autism risk, including genes where dosage sensitivity has already been established by recurrent disruptive de novo protein-coding mutations (ARID1B, SCN2A, NR3C2, PRKCA, and DSCAM). In addition, we provide evidence of gene-disruptive CNVs (in DISC1, WNT7A, RBFOX1, and MBD5), as well as smaller de novo CNVs and exon-specific SNVs missed by exome sequencing in neurodevelopmental genes (e.g., CANX, SAE1, and PIK3CA). Our results suggest that the detection of smaller, often multiple CNVs affecting putative regulatory elements might help explain additional risk of simplex autism.

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.

Pangenome references address biases of reference genomes by storing a representative set of diverse haplotypes and their alignment, usually as a graph. Alternate alleles determined by variant callers can be used to construct pangenome graphs, but advances in long-read sequencing are leading to widely available, high-quality phased assemblies. Constructing a pangenome graph directly from assemblies, as opposed to variant calls, leverages the graph’s ability to represent variation at different scales. Here we present the Minigraph-Cactus pangenome pipeline, which creates pangenomes directly from whole-genome alignments, and demonstrate its ability to scale to 90 human haplotypes from the Human Pangenome Reference Consortium. The method builds graphs containing all forms of genetic variation while allowing use of current mapping and genotyping tools. We measure the effect of the quality and completeness of reference genomes used for analysis within the pangenomes and show that using the CHM13 reference from the Telomere-to-Telomere Consortium improves the accuracy of our methods. We also demonstrate construction of a Drosophila melanogaster pangenome. Constructing genome graphs directly from genome assemblies overcomes single-reference bias.

ABSTRACT The complete assembly of each human chromosome is essential for understanding human biology and evolution. Using complementary long-read sequencing technologies, we complete the first linear assembly of a human autosome, chromosome 8. Our assembly resolves the sequence of five previously long-standing gaps, including a 2.08 Mbp centromeric α-satellite array, a 644 kbp defensin copy number polymorphism important for disease risk, and an 863 kbp 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 kbp hypomethylated region of diverse higher-order α-satellite enriched with CENP-A nucleosomes, consistent with the location of the kinetochore. Using a dual long-read sequencing approach, we complete the assembly of the orthologous chromosome 8 centromeric regions in chimpanzee, orangutan, and macaque for the first time to reconstruct its evolutionary history. Comparative and phylogenetic analyses show that the higher-order α-satellite structure evolved specifically in the great ape ancestor, and the centromeric region evolved with a layered symmetry, with more ancient higher-order repeats located at the periphery adjacent to monomeric α-satellites. We estimate that the mutation rate of centromeric satellite DNA is accelerated at least 2.2-fold, and this acceleration extends beyond the higher-order α-satellite into the flanking sequence.