Summary

 Genetic changes causing brain size expansion in human evolution have remained elusive. Notch signaling is essential for radial glia stem cell proliferation and is a determinant of neuronal number in the mammalian cortex. We find that three paralogs of human-specific NOTCH2NL are highly expressed in radial glia. Functional analysis reveals that different alleles of NOTCH2NL have varying potencies to enhance Notch signaling by interacting directly with NOTCH receptors. Consistent with a role in Notch signaling, NOTCH2NL ectopic expression delays differentiation of neuronal progenitors, while deletion accelerates differentiation into cortical neurons. Furthermore, NOTCH2NL genes provide the breakpoints in 1q21.1 distal deletion/duplication syndrome, where duplications are associated with macrocephaly and autism and deletions with microcephaly and schizophrenia. Thus, the emergence of human-specific NOTCH2NL genes may have contributed to the rapid evolution of the larger human neocortex, accompanied by loss of genomic stability at the 1q21.1 locus and resulting recurrent neurodevelopmental disorders.

Abstract De novo assembly of a human genome using nanopore long-read sequences has been reported, but it used more than 150,000 CPU hours and weeks of wall-clock time. To enable rapid human genome assembly, we present Shasta, a de novo long-read assembler, and polishing algorithms named MarginPolish and HELEN. Using a single PromethION nanopore sequencer and our toolkit, we assembled 11 highly contiguous human genomes de novo in 9 d. We achieved roughly 63× coverage, 42-kb read N50 values and 6.5× coverage in reads >100 kb using three flow cells per sample. Shasta produced a complete haploid human genome assembly in under 6 h on a single commercial compute node. MarginPolish and HELEN polished haploid assemblies to more than 99.9% identity (Phred quality score QV = 30) with nanopore reads alone. Addition of proximity-ligation sequencing enabled near chromosome-level scaffolds for all 11 genomes. We compare our assembly performance to existing methods for diploid, haploid and trio-binned human samples and report superior accuracy and speed.

Genetic changes causing dramatic brain size expansion in human evolution have remained elusive. Notch signaling is essential for radial glia stem cell proliferation and a determinant of neuronal number in the mammalian cortex. We find three paralogs of human-specific NOTCH2NL are highly expressed in radial glia cells. Functional analysis reveals different alleles of NOTCH2NL have varying potencies to enhance Notch signaling by interacting directly with NOTCH receptors. Consistent with a role in Notch signaling, NOTCH2NL ectopic expression delays differentiation of neuronal progenitors, while deletion accelerates differentiation. NOTCH2NL genes provide the breakpoints in typical cases of 1q21.1 distal deletion/duplication syndrome, where duplications are associated with macrocephaly and autism, and deletions with microcephaly and schizophrenia. Thus, the emergence of hominin-specific NOTCH2NL genes may have contributed to the rapid evolution of the larger hominin neocortex accompanied by loss of genomic stability at the 1q21.1 locus and a resulting recurrent neurodevelopmental disorder.

Present workflows for producing human genome assemblies from long-read technologies have cost and production time bottlenecks that prohibit efficient scaling to large cohorts. We demonstrate an optimized PromethION nanopore sequencing method for eleven human genomes. The sequencing, performed on one machine in nine days, achieved an average 63x coverage, 42 Kb read N50, 90% median read identity and 6.5x coverage in 100 Kb+ reads using just three flow cells per sample. To assemble these data we introduce new computational tools: Shasta - a de novo long read assembler, and MarginPolish & HELEN - a suite of nanopore assembly polishing algorithms. On a single commercial compute node Shasta can produce a complete human genome assembly in under six hours, and MarginPolish & HELEN can polish the result in just over a day, achieving 99.9% identity (QV30) for haploid samples from nanopore reads alone. We evaluate assembly performance for diploid, haploid and trio-binned human samples in terms of accuracy, cost, and time and demonstrate improvements relative to current state-of-the-art methods in all areas. We further show that addition of proximity ligation (Hi-C) sequencing yields near chromosome-level scaffolds for all eleven genomes.