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.

In order to provide a comprehensive resource for human structural variants (SVs), we generated long-read sequence data and analyzed SVs for fifteen human genomes. We sequence resolved 99,604 insertions, deletions, and inversions including 2,238 (1.6 Mbp) that are shared among all discovery genomes with an additional 13,053 (6.9 Mbp) present in the majority, indicating minor alleles or errors in the reference. Genotyping in 440 additional genomes confirms the most common SVs in unique euchromatin are now sequence resolved. We report a ninefold SV bias toward the last 5 Mbp of human chromosomes with nearly 55% of all VNTRs (variable number of tandem repeats) mapping to this portion of the genome. We identify SVs affecting coding and noncoding regulatory loci improving annotation and interpretation of functional variation. These data provide the framework to construct a canonical human reference and a resource for developing advanced representations capable of capturing allelic diversity.

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.

The prevailing genome assembly paradigm is to produce consensus sequences that "collapse" parental haplotypes into a consensus sequence. Here, we leverage the chromosome-wide phasing and scaffolding capabilities of single-cell strand sequencing (Strand-seq) and combine them with high-fidelity (HiFi) long sequencing reads, in a novel reference-free workflow for diploid de novo genome assembly. Employing this strategy, we produce completely phased de novo genome assemblies separately for each haplotype of a single individual of Puerto Rican origin (HG00733) in the absence of parental data. The assemblies are accurate (QV > 40), highly contiguous (contig N50 > 25 Mbp) with low switch error rates (0.4%) providing fully phased single-nucleotide variants (SNVs), indels, and structural variants (SVs). A comparison of Oxford Nanopore and PacBio phased assemblies identifies 150 regions that are preferential sites of contig breaks irrespective of sequencing technology or phasing algorithms.

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.