Long-range and highly accurate de novo assembly from short-read data is one of the most pressing challenges in genomics. Recently, it has been shown that read pairs generated by proximity ligation of DNA in chromatin of living tissue can address this problem, dramatically increasing the scaffold contiguity of assemblies. Here, we describe a simpler approach (“Chicago”) based on in vitro reconstituted chromatin. We generated two Chicago data sets with human DNA and developed a statistical model and a new software pipeline (“HiRise”) that can identify poor quality joins and produce accurate, long-range sequence scaffolds. We used these to construct a highly accurate de novo assembly and scaffolding of a human genome with scaffold N50 of 20 Mbp. We also demonstrated the utility of Chicago for improving existing assemblies by reassembling and scaffolding the genome of the American alligator. With a single library and one lane of Illumina HiSeq sequencing, we increased the scaffold N50 of the American alligator from 508 kbp to 10 Mbp.

All living things experience an increase in entropy, manifested as a loss of genetic and epigenetic information. In yeast, epigenetic information is lost over time due to the relocalization of chromatin-modifying proteins to DNA breaks, causing cells to lose their identity, a hallmark of yeast aging. Using a system called “ICE” (inducible changes to the epigenome), we find that the act of faithful DNA repair advances aging at physiological, cognitive, and molecular levels, including erosion of the epigenetic landscape, cellular exdifferentiation, senescence, and advancement of the DNA methylation clock, which can be reversed by OSK-mediated rejuvenation. These data are consistent with the information theory of aging, which states that a loss of epigenetic information is a reversible cause of aging.

Abstract Although it is widely believed that early vertebrate evolution was shaped by ancient whole-genome duplications, the number, timing and mechanism of these events remain elusive. Here, we infer the history of vertebrates through genomic comparisons with a new chromosome-scale sequence of the invertebrate chordate amphioxus. We show how the karyotypes of amphioxus and diverse vertebrates are derived from 17 ancestral chordate linkage groups (and 19 ancestral bilaterian groups) by fusion, rearrangement and duplication. We resolve two distinct ancient duplications based on patterns of chromosomal conserved synteny. All extant vertebrates share the first duplication, which occurred in the mid/late Cambrian by autotetraploidization (that is, direct genome doubling). In contrast, the second duplication is found only in jawed vertebrates and occurred in the mid–late Ordovician by allotetraploidization (that is, genome duplication following interspecific hybridization) from two now-extinct progenitors. This complex genomic history parallels the diversification of vertebrate lineages in the fossil record.

Abstract Single-cell genomics assays have emerged as a dominant platform for interrogating complex biological systems. Methods to capture various properties at the single-cell level typically suffer a tradeoff between cell count and information content, which is defined by the number of unique and usable reads acquired per cell. We and others have described workflows that utilize single-cell combinatorial indexing (sci) 1 , leveraging transposase-based library construction 2 to assess a variety of genomic properties in high throughput; however, these techniques often produce sparse coverage for the property of interest. Here, we describe a novel adaptor-switching strategy, ‘s3’, capable of producing one-to-two order-of-magnitude improvements in usable reads obtained per cell for chromatin accessibility (s3-ATAC), whole genome sequencing (s3-WGS), and whole genome plus chromatin conformation (s3-GCC), while retaining the same high-throughput capabilities of predecessor ‘sci’ technologies. We apply s3 to produce high-coverage single-cell ATAC-seq profiles of mouse brain and human cortex tissue; and whole genome and chromatin contact maps for two low-passage patient-derived cell lines from a primary pancreatic tumor.

Analyses of ancient DNA typically involve sequencing the surviving short oligonucleotides and aligning to genome assemblies from related, modern species. Here, we report that skin from a female woolly mammoth (†Mammuthus primigenius) that died 52,000 years ago retained its ancient genome architecture. We use PaleoHi-C to map chromatin contacts and assemble its genome, yielding 28 chromosome-length scaffolds. Chromosome territories, compartments, loops, Barr bodies, and inactive X chromosome (Xi) superdomains persist. The active and inactive genome compartments in mammoth skin more closely resemble Asian elephant skin than other elephant tissues. Our analyses uncover new biology. Differences in compartmentalization reveal genes whose transcription was potentially altered in mammoths vs. elephants. Mammoth Xi has a tetradic architecture, not bipartite like human and mouse. We hypothesize that, shortly after this mammoth's death, the sample spontaneously freeze-dried in the Siberian cold, leading to a glass transition that preserved subfossils of ancient chromosomes at nanometer scale.

Abstract DNA methylation is a key component of the mammalian epigenome, playing a regulatory role in development, disease, and other processes. Robust, high-throughput single-cell DNA methylation assays are now possible (sciMET); however, the genome-wide nature of DNA methylation results in a high sequencing burden per cell. Here, we leverage target enrichment with sciMET to capture sufficient information per cell for cell type assignment using substantially fewer sequence reads (sciMET-cap). Accumulated off-target coverage enables genome-wide differentially methylated region (DMR) calling for clusters with as few as 115 cells. We characterize sciMET-cap on human PBMCs and brain (middle frontal gyrus).

Single-cell sequencing technologies have revolutionized biomedical research by enabling deconvolution of cell type-specific properties in highly heterogeneous tissue. While robust tools have been developed to handle bioinformatic challenges posed by single-cell RNA and ATAC data, options for emergent modalities such as methylation are much more limited, impeding the utility of results. Here we present Amethyst, a comprehensive R package for atlas-scale single-cell methylation sequencing data analysis. Amethyst begins with base-level methylation calls and expedites batch integration, doublet detection, dimensionality reduction, clustering, cell type annotation, differentially methylated region calling, and interpretation of results, facilitating rapid data interaction in a local environment. We introduce the workflow using published single-cell methylation human peripheral blood mononuclear cell (PBMC) and human cortex data. We further leverage Amethyst on an atlas-scale brain dataset to discover a noncanonical methylation pattern in human astrocytes and oligodendrocytes, challenging prior assumptions that this form of methylation is only biologically relevant to neurons in the brain.

Single-cell methods to assess DNA methylation have not yet achieved the same level of cell throughput compared to other modalities. Here, we describe sciMETv3, a combinatorial indexing-based technique that builds on our prior technology, sciMETv2. SciMETv3 achieves nearly a 100-fold improvement in cell throughput by increasing the index space while simultaneously reducing hands-on time and total costs per experiment. To reduce the sequencing burden of the assay, we demonstrate compatibility of sciMETv3 with capture techniques that enrich for regulatory regions, as well as the ability to leverage enzymatic conversion which can yield higher library diversity. We showcase the throughput of sciMETv3 by producing a >140k cell library from human middle frontal gyrus split across four multiplexed individuals using both Illumina and Ultima sequencing instrumentation. This library was prepared over two days by one individual and required no expensive equipment (e.g. a flow sorter, as required by sciMETv2). The same experiment produced an estimated 650k additional cells that were not sequenced, representing the power of sciMETv3 to meet the throughput needs of the most demanding atlas-scale projects. Finally, we demonstrate the compatibility of sciMETv3 with multimodal assays by introducing sciMET+ATAC, which will enable high-throughput exploration of the interplay between two layers of epigenetic regulation within the same cell, as well as the ability to directly integrate single-cell methylation datasets with existing single-cell ATAC-seq.

The extinct passenger pigeon was once the most abundant bird in North America, and possibly the world. While theory predicts that large populations will be more genetically diverse and respond more efficiently to selection, passenger pigeon genetic diversity was surprisingly low. To investigate this we analysed 41 mitochondrial and 4 nuclear genomes from passenger pigeons, and 2 genomes from band-tailed pigeons, passenger pigeons' closest living relatives. We find that passenger pigeons' large population size allowed for faster adaptive evolution and removal of harmful mutations, but that this drove a huge loss in neutral genetic diversity. These results demonstrate how great an impact selection can have on a vertebrate genome, and invalidate previous results that suggested population instability contributed to this species' surprisingly rapid extinction.

All living things experience entropy, manifested as a loss of inherited genetic and epigenetic information over time. As budding yeast cells age, epigenetic changes result in a loss of cell identity and sterility, both hallmarks of yeast aging. In mammals, epigenetic information is also lost over time, but what causes it to be lost and whether it is a cause or a consequence of aging is not known. Here we show that the transient induction of genomic instability, in the form of a low number of non-mutagenic DNA breaks, accelerates many of the chromatin and tissue changes seen during aging, including the erosion of the epigenetic landscape, a loss of cellular identity, advancement of the DNA methylation clock and cellular senescence. These data support a model in which a loss of epigenetic information is a cause of aging in mammals.