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 Although shotgun short-read sequencing has facilitated the study of strain-level architecture within complex microbial communities, existing metagenomic approaches often cannot capture structural differences between closely related co-occurring strains. Recent methods, which employ read cloud sequencing and specialized assembly techniques, provide significantly improved genome drafts and show potential to capture these strain-level differences. Here, we apply this read cloud metagenomic approach to longitudinal stool samples from a patient undergoing hematopoietic cell transplantation. The patient’s microbiome is profoundly disrupted and is eventually dominated by Bacteroides caccae . Comparative analysis of B. caccae genomes obtained using read cloud sequencing together with metagenomic RNA sequencing allows us to predict that particular mobile element integrations result in increased antibiotic resistance, which we further support using in vitro antibiotic susceptibility testing. Thus, we find read cloud sequencing to be useful in identifying strain-level differences that underlie differential fitness.

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.

Recently developed methods that utilize partitioning of long genomic DNA fragments, and barcoding of shorter fragments derived from them, have succeeded in retaining long-range information in short sequencing reads. These so-called read cloud approaches represent a powerful, accurate, and cost-effective alternative to single-molecule long-read sequencing. We developed software, GROC-SVs, that takes advantage of read clouds for structural variant detection and assembly. We apply the method to two 10x Genomics data sets, one chromothriptic sarcoma with several spatially separated samples, and one breast cancer cell line, all Illumina-sequenced to high coverage. Comparison to short-fragment data from the same samples, and validation by mate-pair data from a subset of the sarcoma samples, demonstrate substantial improvement in specificity of breakpoint detection compared to short-fragment sequencing, at comparable sensitivity, and vice versa. The embedded long-range information also facilitates sequence assembly of a large fraction of the breakpoints; importantly, consecutive breakpoints that are closer than the average length of the input DNA molecules can be assembled together and their order and arrangement reconstructed, with some events exhibiting remarkable complexity. These features facilitated an analysis of the structural evolution of the sarcoma. In the chromothripsis, rearrangements occurred before copy number amplifications, and using the phylogenetic tree built from point mutation data we show that single nucleotide variants and structural variants are not correlated. We predict significant future advances in structural variant science using 10x data analyzed with GROC-SVs and other read cloud-specific methods.

Our understanding of natural microbial communities is shaped by the careful investigation of a relatively small number of isolated and cultured organisms, and by analysis of genomic sequences obtained by culture-free metagenomic sequencing approaches. Metagenomic shotgun sequencing has facilitated partial reconstruction of strain-level community structure and functional repertoire. Unfortunately, it remains difficult to cost-effectively produce high quality genome drafts for individual microbes without isolation and culture. Recent molecular techniques that partition long DNA fragments and then barcode short fragments derived from them produce "read clouds", which are short-read sequences containing long-range information. Here, we present a novel application of a read cloud technique to microbiome samples, as well as Athena, a de novo assembler that uses these barcodes to produce improved metagenomic assemblies. We apply our approach to sequence human stool samples from two healthy individuals, and compare it to existing short read and synthetic long read metagenomic sequencing approaches. We find that read cloud metagenomic sequencing and Athena assembly produce the most complete individual genome drafts. These genome drafts are also highly contiguous (>200kb N50, <10 contigs), even for bacteria that have relatively low (20x) raw short read sequence coverage. We also apply this approach to a significantly more complex marine sediment sample and obtain 23 genome drafts with valuable 16S ribosomal RNA taxonomic marker sequences, nine of which are complete genome drafts. Read cloud metagenomic sequencing allows culture-free generation of high quality microbial genome drafts using only a single shotgun experiment.