Revelations from a Vindija Neandertal genome Neandertals clearly interbred with the ancestors of non-African modern humans, but many questions remain about our closest ancient relatives. Prüfer et al. present a 30-fold-coverage genome sequence from 50,000- to 65,000-year-old samples from a Neandertal woman found in Vindija, Croatia, and compared this sequence with genomes obtained from the Altai Neandertal, the Denisovans, and ancient and modern humans (see the Perspective by Bergström and Tyler-Smith). Neandertals likely lived in small groups and had lower genetic diversity than modern humans. The findings increase the number of Neandertal variants identified within populations of modern humans, and they suggest that a larger number of phenotypic and diseaserelated variants with Neandertal ancestry remain in the modern Eurasian gene pool than previously thought. Science , this issue p. 655 ; see also p. 586

Resolving genomic structural variation Many human genomes have been reported using short-read technology, but it is difficult to resolve structural variants (SVs) using these data. These genomes thus lack comprehensive comparisons among individuals and populations. Ebert et al. used long-read structural variation calling across 64 human genomes representing diverse populations and developed new methods for variant discovery. This approach allowed the authors to increase the number of confirmed SVs and to describe the patterns of variation across populations. From this dataset, they identified quantitative trait loci affected by these SVs and determined how they may affect gene expression and potentially explain genome-wide association study hits. This information provides insights into patterns of normal human genetic variation and generates reference genomes that better represent the diversity of our species. Science , this issue p. eabf7117

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

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.

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.

Abstract Unlike copy number variants (CNVs), inversions remain an underexplored genetic variation class. By integrating multiple genomic technologies, we discover 729 inversions in 41 human genomes. Approximately 85% of inversions <2 kbp form by twin-priming during L1-retrotransposition; 80% of the larger inversions are balanced and affect twice as many base pairs as CNVs. Balanced inversions show an excess of common variants, and 72% are flanked by segmental duplications (SDs) or mobile elements. Since this suggests recurrence due to non-allelic homologous recombination, we developed complementary approaches to identify recurrent inversion formation. We describe 40 recurrent inversions encompassing 0.6% of the genome, showing inversion rates up to 2.7×10 -4 per locus and generation. Recurrent inversions exhibit a sex- chromosomal bias, and significantly co-localize to the critical regions of genomic disorders. We propose that inversion recurrence results in an elevated number of heterozygous carriers and structural SD diversity, which increases mutability in the population and predisposes to disease- causing CNVs.

ABSTRACT Single-nucleotide variants (SNVs) within segmental duplications (SDs) have not been systematically assessed because of the difficulty in mapping short-read sequence data to virtually identical repetitive sequences. Using 102 phased human haplotypes, we constructed 1:1 unambiguous alignments spanning high-identity SDs and compared the pattern of SNVs between unique and SD regions. We find that human SNVs are elevated 60% in SDs compared to unique regions. We estimate that at least 23% of this increase is due to interlocus gene conversion (IGC) with >7 Mbp of SD sequence converted on average per human haplotype. We develop a genome-wide map of IGC donors and acceptors, including 498 acceptor and 454 donor hotspots affecting the exons of ~800 protein-coding genes. The latter includes 171 genes that have “relocated” on average 1.61 Mbp in a subset of human haplotypes. Using a coalescent framework, we show that SD regions are evolutionarily older when compared to unique sequences with most of this signal originating from putative IGC loci. SNVs within SDs, however, also exhibit a distinct mutational spectrum where there is a 27.1% increase in transversions that convert cytosine to guanine or the reverse across all triplet contexts. In addition, we observe a 7.6% reduction in the frequency of CpG associated mutations when compared to unique DNA. We hypothesize that these distinct mutational properties help to maintain an overall higher GC content of SD DNA when compared to unique DNA, and we show that these GC-favoring mutational events are likely driven by GC-biased conversion between paralogous sequences.

Abstract The genetic mechanisms underlying the expansion in size and complexity of the human brain remains poorly understood. L1 retrotransposons are a source of divergent genetic information in hominoid genomes, but their importance in physiological functions and their contribution to human brain evolution is largely unknown. Using multi-omic profiling we here demonstrate that L1-promoters are dynamically active in the developing and adult human brain. L1s generate hundreds of developmentally regulated and cell-type specific transcripts, many which are co-opted as chimeric transcripts or regulatory RNAs. One L1-derived lncRNA, LINC01876, is a human-specific transcript expressed exclusively during brain development. CRISPRi-silencing of LINC01876 results in reduced size of cerebral organoids and premature differentiation of neural progenitors, implicating L1s in human-specific developmental processes. In summary, our results demonstrate that L1-derived transcripts provide a previously undescribed layer of primate- and human-specific transcriptome complexity that contributes to the functional diversification of the human brain.

Abstract Long-read and strand-specific sequencing technologies together facilitate the de novo assembly of high-quality haplotype-resolved human genomes without parent–child trio data. We present 64 assembled haplotypes from 32 diverse human genomes. These highly contiguous haplotype assemblies (average contig N50: 26 Mbp) integrate all forms of genetic variation across even complex loci such as the major histocompatibility complex. We focus on 107,590 structural variants (SVs), of which 68% are inaccessible by short-read sequencing. We identify new SV hotspots (spanning megabases of gene-rich sequence), characterize 130 of the most active mobile element source elements, and find that 63% of all SVs arise by homology-mediated mechanisms—a twofold increase from previous studies. Our resource now enables reliable graph-based genotyping from short reads of up to 50,340 SVs, resulting in the identification of 1,525 expression quantitative trait loci (SV-eQTLs) as well as SV candidates for adaptive selection within the human population.

Abstract The human forebrain has expanded in size and complexity compared to that of chimpanzee despite limited changes in protein-coding genes, suggesting that gene regulation is an important driver of brain evolution. Here we identify a KRAB-ZFP transcription factor, ZNF558, that is expressed in human but not chimpanzee forebrain neural progenitor cells. ZNF558 evolved as a suppressor of LINE-1 transposons but has been co-opted to regulate the mitophagy gene SPATA18 , supporting a link between mitochondrial homeostasis and cortical expansion. The unusual on-off switch for ZNF558 expression resides in a downstream variable number tandem repeat (VNTR) that is contracted in humans relative to chimpanzee. Our data reveal the brain-specific co-option of a transposon-controlling KRAB-ZFP and how a human-specific regulatory network is established by a cis -acting structural genome variation. This represents a previously undescribed genetic mechanism in the evolution of the human brain.