Abstract Systems genetics holds the promise to decipher complex traits by interpreting their associated SNPs through gene regulatory networks derived from comprehensive multi-omics data of cell types, tissues, and organs. Here, we propose SpecVar to integrate paired chromatin accessibility and gene expression data into context-specific regulatory network atlas and regulatory categories, conduct heritability enrichment analysis with GWAS summary statistics, identify relevant tissues, and depict shared heritability and regulations by relevance correlation. Our method improves power upon existing approaches by associating SNPs with context-specific regulatory elements to assess heritability enrichments and by explicitly prioritizing gene regulations underlying relevant tissues. Experiments on GWAS of six phenotypes show that SpecVar can improve heritability enrichment, accurately detect relevant tissues, and reveal causal regulations. Furthermore, SpecVar correlates the relevance patterns for pairs of phenotypes and better reveals shared heritability and regulations of phenotypes than existing methods. Studying GWAS of 206 phenotypes in UK-Biobank demonstrates that SpecVar leverages the context-specific regulatory network atlas to prioritize phenotypes’ relevant tissues and shared heritability for biological and therapeutic insights. SpecVar provides a powerful way to interpret SNPs via context-specific regulatory networks and is available at https://github.com/AMSSwanglab/SpecVar .

ABSTRACT The crab-eating macaques ( Macaca fascicularis ) and rhesus macaques ( M. mulatta ) are widely studied nonhuman primates in biomedical and evolutionary research. Despite their significance, the current understanding of the complex genomic structure in macaques and the differences between species requires substantial improvement. Here, we present a complete genome assembly of a crab-eating macaque and 20 haplotype-resolved macaque assemblies to investigate the complex regions and major genomic differences between species. Segmental duplication in macaques is ∼42% lower, while centromeres are ∼3.7 times longer than those in humans. The characterization of ∼2 Mbp fixed genetic variants and ∼240 Mbp complex loci highlights potential associations with metabolic differences between the two macaque species (e.g., CYP2C76 and EHBP1L1 ). Additionally, hundreds of alternative splicing differences show post-transcriptional regulation divergence between these two species (e.g., PNPO ). We also characterize 91 large-scale genomic differences between macaques and humans at a single-base-pair resolution and highlight their impact on gene regulation in primate evolution (e.g., FOLH1 and PIEZO2 ). Finally, population genetics recapitulates macaque speciation and selective sweeps, highlighting potential genetic basis of reproduction and tail phenotype differences (e.g., STAB1 , SEMA3F , and HOXD13 ). In summary, the integrated analysis of genetic variation and population genetics in macaques greatly enhances our comprehension of lineage-specific phenotypes, adaptation, and primate evolution, thereby improving their biomedical applications in human diseases.

Structural variants (SVs) may play important roles in human adaption to extreme environments such as high altitude but have been under-investigated. Here, combining long-read sequencing with multiple scaffolding techniques, we assembled a high-quality Tibetan genome (ZF1), with a contig N50 length of 24.57 mega-base pairs (Mb) and a scaffold N50 length of 58.80 Mb. The ZF1 assembly filled 80 remaining N-gaps (0.25 Mb in total length) in the reference human genome (GRCh38). Markedly, we detected 17,900 SVs, among which the ZF1-specific SVs are enriched in GTPase activity that is required for activation of the hypoxic pathway. Further population analysis uncovered a 163-bp intronic deletion in the MKL1 gene showing large divergence between highland Tibetans and lowland Han Chinese. This deletion is significantly associated with lower systolic pulmonary arterial pressure, one of the key adaptive physiological traits in Tibetans. Moreover, with the use of the high quality de novo assembly, we observed a much higher rate of genome-wide archaic hominid (Altai Neanderthal and Denisovan) shared non-reference sequences in ZF1 (1.32%-1.53%) compared to other East Asian genomes (0.70%-0.98%), reflecting a unique genomic composition of Tibetans. One such archaic-hominid shared sequence, a 662-bp intronic insertion in the SCUBE2 gene, is enriched and associated with better lung function (the FEV1/FVC ratio) in Tibetans. Collectively, we generated the first high-resolution Tibetan reference genome, and the identified SVs may serve as valuable resources for future evolutionary and medical studies.

Summary Compared with lowlander migrants, native Tibetans have a higher reproductive success at high altitude though the underlying mechanism remains unclear. Here, we compared the transcriptome and histology of full-term placentas between native Tibetans and Han migrants. We found that the placental trophoblast shows the largest expression divergence between Tibetans and Han, and Tibetans show decreased immune response and endoplasmic reticulum stress. Remarkably, we detected a sex-biased expression divergence, where the male-infant placentas show a greater between-population difference than the female-infant placentas. The umbilical cord plays a key role in the sex-biased expression divergence, which is associated with the higher birth weight of the male newborns of Tibetans. We also identified adaptive histological changes in the male-infant placentas of Tibetans, including larger umbilical artery wall and umbilical artery intima and media, and fewer syncytial knots. These findings provide valuable insights into the sex-biased adaptation of human populations, with significant implications for medical and genetic studies of human reproduction.

Abstract During the origin of great apes about 14 million years ago, a series of phenotypic innovations emerged, such as the increased body size, the enlarged brain volume, the improved cognitive skill and the diversified diet. Yet, the genomic basis of these evolutionary changes remains unclear. Utilizing the high-quality genome assemblies of great apes (including human), gibbon and macaque, we conducted comparative genome analyses, and identified 15,885 great-ape-specific structural variants (GSSVs), including 8 coding GSSVs resulting in the creation of novel proteins (e.g. ACAN and CMYA5 ). Functional annotations of the GSSV-related genes revealed the enrichment of genes involved development and morphogenesis, especially neurogenesis and neural network formation, suggesting the potential role of GSSVs in shaping the great-ape-shared traits. Further dissection of the brain-related GSSVs show great-ape-specific changes of enhancer activities and gene expression in the brain, involving a group of GSSV-regulated genes (such as NOL3 ) that potentially contribute to the altered brain development and function in great apes. The presented data highlights the evolutionary role of structural variants in the phenotypic innovations during the origin of the great lineage.

Rhesus macaque (Macaca mulatta) is a widely-studied nonhuman primate. Here we present a high-quality de novo genome assembly of the Chinese rhesus macaque (rheMacS) using long-read sequencing and multiplatform scaffolding approaches. Compared to the current Indian rhesus macaque reference genome (rheMac8), the rheMacS genome assembly improves sequence contiguity by 75-fold, closing 21,940 of the remaining assembly gaps (60.8 Mbp). To improve gene annotation, we generated more than two million full-length transcripts from ten different tissues by long-read RNA sequencing. We sequence resolve 53,916 structural variants (96% novel) and identify 17,000 ape-specific structural variants (ASSVs) based on comparison to the long-read assembly of ape genomes. We show that many ASSVs map within ChIP-seq predicted enhancer regions where apes and macaque show diverged enhancer activity and expression. We further characterize a set of candidate ASSVs that may contribute to ape- or great-ape-specific phenotypic traits, including taillessness, brain volume expansion, improved manual dexterity, and large body size. This improved rheMacS genome assembly serves as an ideal reference for future biomedical and evolutionary studies.

CRISPR-Cas9 is a widely-used genome editing tool, but its off-target effect remains a concern, especially in view of future clinical applications. Non-human primates (NHPs) share close genetic and physiological similarities with humans, making them an ideal preclinical model for developing Cas9-based therapies. However, no comprehensive in vivo off-target assessment has been conducted in NHPs. Here we performed whole genome trio sequencing of Cas9-treated monkeys. We found they only carried a small number of de novo mutations that can be explained by expected spontaneous mutations, and no unexpected mutations were detected.