The human genome holds an extraordinary trove of information about human development, physiology, medicine and evolution. Here we report the results of an international collaboration to produce and make freely available a draft sequence of the human genome. We also present an initial analysis of the data, describing some of the insights that can be gleaned from the sequence.

The 1000 Genomes Project set out to provide a comprehensive description of common human genetic variation by applying whole-genome sequencing to a diverse set of individuals from multiple populations. Here we report completion of the project, having reconstructed the genomes of 2,504 individuals from 26 populations using a combination of low-coverage whole-genome sequencing, deep exome sequencing, and dense microarray genotyping. We characterized a broad spectrum of genetic variation, in total over 88 million variants (84.7 million single nucleotide polymorphisms (SNPs), 3.6 million short insertions/deletions (indels), and 60,000 structural variants), all phased onto high-quality haplotypes. This resource includes >99% of SNP variants with a frequency of >1% for a variety of ancestries. We describe the distribution of genetic variation across the global sample, and discuss the implications for common disease studies. Results for the final phase of the 1000 Genomes Project are presented including whole-genome sequencing, targeted exome sequencing, and genotyping on high-density SNP arrays for 2,504 individuals across 26 populations, providing a global reference data set to support biomedical genetics. The 1000 Genomes Project has sought to comprehensively catalogue human genetic variation across populations, providing a valuable public genomic resource. The data obtained so far have found applications ranging from association studies and fine mapping studies to the filtering of likely neutral variants in rare-disease cohorts. The authors now report on the final phase of the project, phase 3, which covers previously uncharacterized areas of human genetic diversity in terms of the populations sampled and categories of characterized variation. The sample now includes more than 2,500 individuals from 26 global populations, with low coverage whole-genome and deep exome sequencing, as well as dense microarray genotyping. They find that while most common variants are shared across populations, rarer variants are often restricted to closely related populations. The authors also demonstrate the use of the phase 3 dataset as a reference panel for imputation to improve the resolution in genetic association studies.

A high-quality sequence assembly of the zebrafish genome reveals the largest gene set of any vertebrate and provides information on key genomic features, and comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human protein-coding genes have at least one clear zebrafish orthologue. The genome of the zebrafish — a key model organism for the study of development and human disease — has now been sequenced and published as a well-annotated reference genome. Zebrafish turns out to have the largest gene set of any vertebrate so far sequenced, and few pseudogenes. Importantly for disease studies, comparison between human and zebrafish sequences reveals that 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. A second paper reports on an ongoing effort to identify and phenotype disruptive mutations in every zebrafish protein-coding gene. Using the reference genome sequence along with high-throughput sequencing and efficient chemical mutagenesis, the project's initial results — covering 38% of all known protein-coding genes — they describe phenotypic consequences of more than 1,000 alleles. The long-term goal is the creation of a knockout allele in every protein-coding gene in the zebrafish genome. All mutant alleles and data are freely available at go.nature.com/en6mos . Zebrafish have become a popular organism for the study of vertebrate gene function1,2. The virtually transparent embryos of this species, and the ability to accelerate genetic studies by gene knockdown or overexpression, have led to the widespread use of zebrafish in the detailed investigation of vertebrate gene function and increasingly, the study of human genetic disease3,4,5. However, for effective modelling of human genetic disease it is important to understand the extent to which zebrafish genes and gene structures are related to orthologous human genes. To examine this, we generated a high-quality sequence assembly of the zebrafish genome, made up of an overlapping set of completely sequenced large-insert clones that were ordered and oriented using a high-resolution high-density meiotic map. Detailed automatic and manual annotation provides evidence of more than 26,000 protein-coding genes6, the largest gene set of any vertebrate so far sequenced. Comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. In addition, the high quality of this genome assembly provides a clearer understanding of key genomic features such as a unique repeat content, a scarcity of pseudogenes, an enrichment of zebrafish-specific genes on chromosome 4 and chromosomal regions that influence sex determination.

DNA sequence information underpins genetic research, enabling discoveries of important biological or medical benefit. Sequencing projects have traditionally used long (400–800 base pair) reads, but the existence of reference sequences for the human and many other genomes makes it possible to develop new, fast approaches to re-sequencing, whereby shorter reads are compared to a reference to identify intraspecies genetic variation. Here we report an approach that generates several billion bases of accurate nucleotide sequence per experiment at low cost. Single molecules of DNA are attached to a flat surface, amplified in situ and used as templates for synthetic sequencing with fluorescent reversible terminator deoxyribonucleotides. Images of the surface are analysed to generate high-quality sequence. We demonstrate application of this approach to human genome sequencing on flow-sorted X chromosomes and then scale the approach to determine the genome sequence of a male Yoruba from Ibadan, Nigeria. We build an accurate consensus sequence from >30× average depth of paired 35-base reads. We characterize four million single-nucleotide polymorphisms and four hundred thousand structural variants, many of which were previously unknown. Our approach is effective for accurate, rapid and economical whole-genome re-sequencing and many other biomedical applications. The power of the latest massively parallel synthetic DNA sequencing technologies is demonstrated in two major collaborations that shed light on the nature of genomic variation with ethnicity. The first describes the genomic characterization of an individual from the Yoruba ethnic group of west Africa. The second reports a personal genome of a Han Chinese, the group comprising 30% of the world's population. These new resources can now be used in conjunction with the Venter, Watson and NIH reference sequences. A separate study looked at genetic ethnicity on the continental scale, based on data from 1,387 individuals from more than 30 European countries. Overall there was little genetic variation between countries, but the differences that do exist correspond closely to the geographic map. Statistical analysis of the genome data places 50% of the individuals within 310 km of their reported origin. As well as its relevance for testing genetic ancestry, this work has implications for evaluating genome-wide association studies that link genes with diseases.

The management of metastatic breast cancer requires monitoring of the tumor burden to determine the response to treatment, and improved biomarkers are needed. Biomarkers such as cancer antigen 15-3 (CA 15-3) and circulating tumor cells have been widely studied. However, circulating cell-free DNA carrying tumor-specific alterations (circulating tumor DNA) has not been extensively investigated or compared with other circulating biomarkers in breast cancer.

More than 300 labs worldwide are using the fungus Aspergillus nidulans as a model system for molecular genetics, and other species of this fungus are important in everyday life. A package of three genomics papers in this issue covers the Aspergillus field comprehensively. Galagan et al. report the genome sequence of the laboratory classic A. nidulans, and Nierman et al. have sequenced A. fumigatus, known chiefly as a human pathogen and allergen. And finally Machida et al. present genome sequencing and analysis of A. oryzae, focusing in particular on the expansion of genes in its genome, which is almost 25% bigger than the other two genomes. A. oryzae is used in traditional Chinese and Japanese food fermentation (think soy sauce) and also in enzyme production by biotechnologists. Aspergillus fumigatus is exceptional among microorganisms in being both a primary and opportunistic pathogen as well as a major allergen1,2,3. Its conidia production is prolific, and so human respiratory tract exposure is almost constant4. A. fumigatus is isolated from human habitats5 and vegetable compost heaps6,7. In immunocompromised individuals, the incidence of invasive infection can be as high as 50% and the mortality rate is often about 50% (ref. 2). The interaction of A. fumigatus and other airborne fungi with the immune system is increasingly linked to severe asthma and sinusitis8. Although the burden of invasive disease caused by A. fumigatus is substantial, the basic biology of the organism is mostly obscure. Here we show the complete 29.4-megabase genome sequence of the clinical isolate Af293, which consists of eight chromosomes containing 9,926 predicted genes. Microarray analysis revealed temperature-dependent expression of distinct sets of genes, as well as 700 A. fumigatus genes not present or significantly diverged in the closely related sexual species Neosartorya fischeri, many of which may have roles in the pathogenicity phenotype. The Af293 genome sequence provides an unparalleled resource for the future understanding of this remarkable fungus.

For 10,000 years pigs and humans have shared a close and complex relationship. From domestication to modern breeding practices, humans have shaped the genomes of domestic pigs. Here we present the assembly and analysis of the genome sequence of a female domestic Duroc pig (Sus scrofa) and a comparison with the genomes of wild and domestic pigs from Europe and Asia. Wild pigs emerged in South East Asia and subsequently spread across Eurasia. Our results reveal a deep phylogenetic split between European and Asian wild boars ∼1 million years ago, and a selective sweep analysis indicates selection on genes involved in RNA processing and regulation. Genes associated with immune response and olfaction exhibit fast evolution. Pigs have the largest repertoire of functional olfactory receptor genes, reflecting the importance of smell in this scavenging animal. The pig genome sequence provides an important resource for further improvements of this important livestock species, and our identification of many putative disease-causing variants extends the potential of the pig as a biomedical model. This study presents the assembly and analysis of the genome sequence of a female domestic Duroc pig and a comparison with the genomes of wild and domestic pigs from Europe and Asia; the results shed light on the evolutionary relationship between European and Asian wild boars. The domestic pig (Sus scrofa) is an important livestock species, its genome shaped by thousands of years of domestication and, latterly, sophisticated breeding practices. A high-quality draft genome sequence for a female domestic Duroc pig is published in this issue of Nature, under the auspices of the Swine Genome Sequencing Consortium. Comparisons of the genomes of wild and domestic pigs shed light on the evolutionary relationship between European and Asian wild boars, and reveal the rapid evolution of genes involved in the immune response and in olfaction. The authors identify many possible disease-causing gene variants, increasing the potential of the pig as a biomedical model, and present a detailed analysis of endogenous porcine retroviruses, knowledge of which is important for the possible use of pigs in xenotransplantation.

Legumes (Fabaceae or Leguminosae) are unique among cultivated plants for their ability to carry out endosymbiotic nitrogen fixation with rhizobial bacteria, a process that takes place in a specialized structure known as the nodule. Legumes belong to one of the two main groups of eurosids, the Fabidae, which includes most species capable of endosymbiotic nitrogen fixation. Legumes comprise several evolutionary lineages derived from a common ancestor 60 million years ago (Myr ago). Papilionoids are the largest clade, dating nearly to the origin of legumes and containing most cultivated species. Medicago truncatula is a long-established model for the study of legume biology. Here we describe the draft sequence of the M. truncatula euchromatin based on a recently completed BAC assembly supplemented with Illumina shotgun sequence, together capturing ∼94% of all M. truncatula genes. A whole-genome duplication (WGD) approximately 58 Myr ago had a major role in shaping the M. truncatula genome and thereby contributed to the evolution of endosymbiotic nitrogen fixation. Subsequent to the WGD, the M. truncatula genome experienced higher levels of rearrangement than two other sequenced legumes, Glycine max and Lotus japonicus. M. truncatula is a close relative of alfalfa (Medicago sativa), a widely cultivated crop with limited genomics tools and complex autotetraploid genetics. As such, the M. truncatula genome sequence provides significant opportunities to expand alfalfa's genomic toolbox.

The human genome is by far the largest genome to be sequenced, and its size and complexity present many challenges for sequence assembly. The International Human Genome Sequencing Consortium constructed a map of the whole genome to enable the selection of clones for sequencing and for the accurate assembly of the genome sequence. Here we report the construction of the whole-genome bacterial artificial chromosome (BAC) map and its integration with previous landmark maps and information from mapping efforts focused on specific chromosomal regions. We also describe the integration of sequence data with the map.

Ian Tomlinson and colleagues report the identification of germline variants in POLE and POLD1 that are susceptibility alleles for colorectal cancer. POLE and POLD1 encode DNA polymerases that function in DNA replication. Many individuals with multiple or large colorectal adenomas or early-onset colorectal cancer (CRC) have no detectable germline mutations in the known cancer predisposition genes. Using whole-genome sequencing, supplemented by linkage and association analysis, we identified specific heterozygous POLE or POLD1 germline variants in several multiple-adenoma and/or CRC cases but in no controls. The variants associated with susceptibility, POLE p.Leu424Val and POLD1 p.Ser478Asn, have high penetrance, and POLD1 mutation was also associated with endometrial cancer predisposition. The mutations map to equivalent sites in the proofreading (exonuclease) domain of DNA polymerases ɛ and δ and are predicted to cause a defect in the correction of mispaired bases inserted during DNA replication. In agreement with this prediction, the tumors from mutation carriers were microsatellite stable but tended to acquire base substitution mutations, as confirmed by yeast functional assays. Further analysis of published data showed that the recently described group of hypermutant, microsatellite-stable CRCs is likely to be caused by somatic POLE mutations affecting the exonuclease domain.