Genome-wide association studies (GWAS) have laid the foundation for investigations into the biology of complex traits, drug development and clinical guidelines. However, the majority of discovery efforts are based on data from populations of European ancestry1–3. In light of the differential genetic architecture that is known to exist between populations, bias in representation can exacerbate existing disease and healthcare disparities. Critical variants may be missed if they have a low frequency or are completely absent in European populations, especially as the field shifts its attention towards rare variants, which are more likely to be population-specific4–10. Additionally, effect sizes and their derived risk prediction scores derived in one population may not accurately extrapolate to other populations11,12. Here we demonstrate the value of diverse, multi-ethnic participants in large-scale genomic studies. The Population Architecture using Genomics and Epidemiology (PAGE) study conducted a GWAS of 26 clinical and behavioural phenotypes in 49,839 non-European individuals. Using strategies tailored for analysis of multi-ethnic and admixed populations, we describe a framework for analysing diverse populations, identify 27 novel loci and 38 secondary signals at known loci, as well as replicate 1,444 GWAS catalogue associations across these traits. Our data show evidence of effect-size heterogeneity across ancestries for published GWAS associations, substantial benefits for fine-mapping using diverse cohorts and insights into clinical implications. In the United States—where minority populations have a disproportionately higher burden of chronic conditions13—the lack of representation of diverse populations in genetic research will result in inequitable access to precision medicine for those with the highest burden of disease. We strongly advocate for continued, large genome-wide efforts in diverse populations to maximize genetic discovery and reduce health disparities. Genetic analyses of ancestrally diverse populations show evidence of heterogeneity across ancestries and provide insights into clinical implications, highlighting the importance of including ancestrally diverse populations to maximize genetic discovery and reduce health disparities.

Abstract The earliest events during human tumour initiation, although poorly characterized, may hold clues to malignancy detection and prevention 1 . Here we model occult preneoplasia by biallelic inactivation of TP53 , a common early event in gastric cancer, in human gastric organoids. Causal relationships between this initiating genetic lesion and resulting phenotypes were established using experimental evolution in multiple clonally derived cultures over 2 years. TP53 loss elicited progressive aneuploidy, including copy number alterations and structural variants prevalent in gastric cancers, with evident preferred orders. Longitudinal single-cell sequencing of TP53- deficient gastric organoids similarly indicates progression towards malignant transcriptional programmes. Moreover, high-throughput lineage tracing with expressed cellular barcodes demonstrates reproducible dynamics whereby initially rare subclones with shared transcriptional programmes repeatedly attain clonal dominance. This powerful platform for experimental evolution exposes stringent selection, clonal interference and a marked degree of phenotypic convergence in premalignant epithelial organoids. These data imply predictability in the earliest stages of tumorigenesis and show evolutionary constraints and barriers to malignant transformation, with implications for earlier detection and interception of aggressive, genome-instable tumours.

Abstract The earliest events during human tumor initiation, while poorly characterized, may hold clues to malignancy detection and prevention 1 . Here we model occult pre-neoplasia by bi-allelically inactivating TP53 , a common early event in gastric cancer, in human gastric organoids. Causal relationships between this initiating genetic lesion and resulting phenotypes were established using experimental evolution in multiple clonally derived cultures over two years. TP53 loss elicited progressive aneuploidy, including copy number alterations and structural variants prevalent in gastric cancers, with evident preferred orders. Longitudinal single cell sequencing of TP53 deficient gastric organoids similarly indicates progression towards malignant transcriptional programs. Moreover, high-throughput lineage tracing with expressed cellular barcodes demonstrates reproducible dynamics whereby initially rare subclones with shared transcriptional programs repeatedly attain clonal dominance. This powerful platform for experimental evolution exposes stringent selection, clonal interference, and a striking degree of phenotypic convergence in pre-malignant epithelial organoids. These data imply predictability in the earliest stages of tumorigenesis and reveal evolutionary constraints and barriers to malignant transformation with implications for earlier detection and interception of aggressive, genome instable tumors.

Genome-wide association studies (GWAS) have laid the foundation for many downstream investigations, including the biology of complex traits, drug development, and clinical guidelines. However, the dominance of European-ancestry populations in GWAS creates a biased view of human variation and hinders the translation of genetic associations into clinical and public health applications. To demonstrate the benefit of studying underrepresented populations, the Population Architecture using Genomics and Epidemiology (PAGE) study conducted a GWAS of 26 clinical and behavioral phenotypes in 49,839 non-European individuals. Using novel strategies for multi-ethnic analysis of admixed populations, we confirm 574 GWAS catalog variants across these traits, and find 28 novel loci and 42 residual signals in known loci. Our data show strong evidence of effect-size heterogeneity across ancestries for published GWAS associations, which substantially restricts genetically-guided precision medicine. We advocate for new, large genome-wide efforts in diverse populations to reduce health disparities.

Summary Organoids are powerful experimental models for studying the ontogeny and progression of diseases including cancer. Organoids are conventionally cultured in bulk using an extracellular matrix mimic. However, organoids in bulk culture physically overlap, making it impossible to track the growth of individual organoids over time in high throughput. Moreover, local spatial variations in bulk matrix properties make it difficult to assess whether observed phenotypic heterogeneity between organoids results from intrinsic cell differences or microenvironment variability. Here, we developed a microwell-based method that enables high-throughput quantification of image-based parameters for organoids grown from single cells, which can be retrieved from their microwells for sequencing and molecular profiling. Coupled with a deep-learning image processing pipeline, we characterized phenotypic traits including growth rates, cellular movement, and apical-basal polarity in two CRISPR-engineered human gastric organoid models, identifying genomic changes associated with increased growth rate and changes in accessibility and expression correlated with apical-basal polarity.

Reduced representation sequencing methods such as genotyping-by-sequencing (GBS) enable low-cost measurement of genetic variation without the need for a reference genome assembly. These methods are widely used in genetic mapping and population genetics studies, especially with non-model organisms. Variant calling error rates, however, are higher in GBS than in standard sequencing, in particular due to restriction site polymorphisms, and few computational tools exist that specifically model and correct these errors. We developed a statistical method to remove errors caused by restriction site polymorphisms, implemented in the software package GBStools. We evaluated it in several simulated data sets, varying in number of samples, mean coverage and population mutation rate, and in two empirical human data sets (N = 8 and N = 63 samples). In our simulations, GBStools improved genotype accuracy more than commonly used filters such as Hardy-Weinberg equilibrium p-values. GBStools is most effective at removing genotype errors in data sets over 100 samples when coverage is 40X or higher, and the improvement is most pronounced in species with high genomic diversity. We also demonstrate the utility of GBS and GBStools for human population genetic inference in Argentine populations and reveal widely varying individual ancestry proportions and an excess of singletons, consistent with recent population growth.

The extent to which prehistoric migrations of farmers influenced the genetic pool of western North Africans remains unclear. Archaeological evidence suggests the Neolithization process may have happened through the adoption of innovations by local Epipaleolithic communities, or by demic diffusion from the Eastern Mediterranean shores or Iberia. Here, we present the first analysis of individuals' genome sequences from early and late Neolithic sites in Morocco, as well as Early Neolithic individuals from southern Iberia. We show that Early Neolithic Moroccans are distinct from any other reported ancient individuals and possess an endemic element retained in present-day Maghrebi populations, confirming a long-term genetic continuity in the region. Among ancient populations, Early Neolithic Moroccans are distantly related to Levantine Natufian hunter-gatherers (~9,000 BCE) and Pre-Pottery Neolithic farmers (~6,500 BCE). Although an expansion in Early Neolithic times is also plausible, the high divergence observed in Early Neolithic Moroccans suggests a long-term isolation and an early arrival in North Africa for this population. This scenario is consistent with early Neolithic traditions in North Africa deriving from Epipaleolithic communities who adopted certain innovations from neighbouring populations. Late Neolithic (~3,000 BCE) Moroccans, in contrast, share an Iberian component, supporting theories of trans-Gibraltar gene flow. Finally, the southern Iberian Early Neolithic samples share the same genetic composition as the Cardial Mediterranean Neolithic culture that reached Iberia ~5,500 BCE. The cultural and genetic similarities of the Iberian Neolithic cultures with that of North African Neolithic sites further reinforce the model of an Iberian migration into the Maghreb.

Background: As most ancient biological samples have low levels of endogenous DNA, it is advantageous to enrich for specific genomic regions prior to sequencing. One approach - in-solution capture-enrichment - retrieves sequences of interest and reduces the fraction of microbial DNA. In this work, we implement a capture-enrichment approach targeting informative regions of the Y chromosome in six human archaeological remains excavated in the Caribbean and dated between 200 and 3,000 years BP. We compare the recovery rate of Y-chromosome capture (YCC) alone, whole-genome capture followed by YCC (WGC+Y) versus non-enriched (pre-capture) libraries. Results: We recovered 17-4,152 times more targeted unique Y-chromosome sequences after capture, where 0.01-6.2% (WGC+Y) and 0.01-23.5% (YCC) of the sequence reads were on-target, compared to 0.0002-0.004% pre-capture. In samples with endogenous DNA content greater than 0.1%, we found that WGC followed by YCC (WGC+Y) yields lower enrichment due to the loss of complexity in consecutive capture experiments, whereas in samples with lower endogenous content, WGC+Y yielded greater enrichment than YCC alone. Finally, increasing recovery of informative sites enabled us to assign Y-chromosome haplogroups to some of the archeological remains and gain insights about their paternal lineages and origins. Conclusions: We present to our knowledge the first in-solution capture-enrichment method targeting the human Y-chromosome in aDNA sequencing libraries. YCC and WGC+Y enrichments lead to an increase in the amount of Y-DNA sequences, as compared to libraries not enriched for the Y-chromosome. Our probe design effectively recovers regions of the Y-chromosome bearing phylogenetically informative sites, allowing us to identify paternal lineages with less sequencing than needed for pre-capture libraries. Finally, we recommend considering the endogenous content in the experimental design and avoiding consecutive rounds of capture for low-complexity libraries, as clonality increases considerably with each round.

Domestication has had a strong impact on the development of modern societies. We sequenced 200 genomes of the chocolate plant Theobroma cacao L. to show for the first time that a single population underwent strong domestication approximately 3,600 years (95% CI: 2481 - 10,903 years ago) ago, the Criollo population. We also show that during the process of domestication, there was strong selection for genes involved in the metabolism of the colored protectants anthocyanins and the stimulant theobromine, as well as disease resistance genes. Our analyses show that domesticated populations of T. cacao (Criollo) maintain a higher proportion of high frequency deleterious mutations. We also show for the first time the negative consequences the increase accumulation of deleterious mutations during domestication on the fitness of individuals (significant negative correlation between Criollo ancestry and Kg of beans per hectare per year, P = 0.000425).

Fewer than 15 genes have been directly associated with skin pigmentation variation in humans, leading to its characterization as a relatively simple trait. However, by assembling a global survey of quantitative skin pigmentation phenotypes, we demonstrate that pigmentation is more complex than previously assumed with genetic architecture varying by latitude. We investigate polygenicity in the Khoe and the San, populations indigenous to southern Africa, who have considerably lighter skin than equatorial Africans. We demonstrate that skin pigmentation is highly heritable, but that known pigmentation loci explain only a small fraction of the variance. Rather, baseline skin pigmentation is a complex, polygenic trait in the KhoeSan. Despite this, we identify canonical and non-canonical skin pigmentation loci, including near SLC24A5, TYRP1, SMARCA2/VLDLR, and SNX13 using a genome-wide association approach complemented by targeted resequencing. By considering diverse, under-studied African populations, we show how the architecture of skin pigmentation can vary across humans subject to different local evolutionary pressures.