Detailed knowledge of how diversity in the sequence of the human genome affects phenotypic diversity depends on a comprehensive and reliable characterization of both sequences and phenotypic variation. Over the past decade, insights into this relationship have been obtained from whole-exome sequencing or whole-genome sequencing of large cohorts with rich phenotypic data1,2. Here we describe the analysis of whole-genome sequencing of 150,119 individuals from the UK Biobank3. This constitutes a set of high-quality variants, including 585,040,410 single-nucleotide polymorphisms, representing 7.0% of all possible human single-nucleotide polymorphisms, and 58,707,036 indels. This large set of variants allows us to characterize selection based on sequence variation within a population through a depletion rank score of windows along the genome. Depletion rank analysis shows that coding exons represent a small fraction of regions in the genome subject to strong sequence conservation. We define three cohorts within the UK Biobank: a large British Irish cohort, a smaller African cohort and a South Asian cohort. A haplotype reference panel is provided that allows reliable imputation of most variants carried by three or more sequenced individuals. We identified 895,055 structural variants and 2,536,688 microsatellites, groups of variants typically excluded from large-scale whole-genome sequencing studies. Using this formidable new resource, we provide several examples of trait associations for rare variants with large effects not found previously through studies based on whole-exome sequencing and/or imputation.

Abstract We describe the analysis of whole genome sequences (WGS) of 150,119 individuals from the UK biobank (UKB). This constitutes a set of high quality variants, including 585,040,410 SNPs, representing 7.0% of all possible human SNPs, and 58,707,036 indels. The large set of variants allows us to characterize selection based on sequence variation within a population through a Depletion Rank (DR) score for windows along the genome. DR analysis shows that coding exons represent a small fraction of regions in the genome subject to strong sequence conservation. We define three cohorts within the UKB, a large British Irish cohort (XBI) and smaller African (XAF) and South Asian (XSA) cohorts. A haplotype reference panel is provided that allows reliable imputation of most variants carried by three or more sequenced individuals. We identified 895,055 structural variants and 2,536,688 microsatellites, groups of variants typically excluded from large scale WGS studies. Using this formidable new resource, we provide several examples of trait associations for rare variants with large effects not found previously through studies based on exome sequencing and/or imputation.

Gene promoter and enhancer sequences are bound by transcription factors and are depleted of methylated CpG sites (cytosines preceding guanines in DNA). The absence of methylated CpGs in these sequences typically correlates with increased gene expression, indicating a regulatory role for methylation. We used nanopore sequencing to determine haplotype-specific methylation rates of 15.3 million CpG units in 7,179 whole-blood genomes. We identified 189,178 methylation depleted sequences where three or more proximal CpGs were unmethylated on at least one haplotype. A total of 77,789 methylation depleted sequences (~41%) associated with 80,503 cis-acting sequence variants, which we termed allele-specific methylation quantitative trait loci (ASM-QTLs). RNA sequencing of 896 samples from the same blood draws used to perform nanopore sequencing showed that the ASM-QTL, that is, DNA sequence variability, drives most of the correlation found between gene expression and CpG methylation. ASM-QTLs were enriched 40.2-fold (95% confidence interval 32.2, 49.9) among sequence variants associating with hematological traits, demonstrating that ASM-QTLs are important functional units in the noncoding genome.