Abstract The complete assembly of each human chromosome is essential for understanding human biology and evolution 1,2 . Here we use complementary long-read sequencing technologies to complete the linear assembly of human chromosome 8. Our assembly resolves the sequence of five previously long-standing gaps, including a 2.08-Mb centromeric α-satellite array, a 644-kb copy number polymorphism in the β-defensin gene cluster that is important for disease risk, and an 863-kb variable number tandem repeat at chromosome 8q21.2 that can function as a neocentromere. We show that the centromeric α-satellite array is generally methylated except for a 73-kb hypomethylated region of diverse higher-order α-satellites enriched with CENP-A nucleosomes, consistent with the location of the kinetochore. In addition, we confirm the overall organization and methylation pattern of the centromere in a diploid human genome. Using a dual long-read sequencing approach, we complete high-quality draft assemblies of the orthologous centromere from chromosome 8 in chimpanzee, orangutan and macaque to reconstruct its evolutionary history. Comparative and phylogenetic analyses show that the higher-order α-satellite structure evolved in the great ape ancestor with a layered symmetry, in which more ancient higher-order repeats locate peripherally to monomeric α-satellites. We estimate that the mutation rate of centromeric satellite DNA is accelerated by more than 2.2-fold compared to the unique portions of the genome, and this acceleration extends into the flanking sequence.

ABSTRACT The complete assembly of each human chromosome is essential for understanding human biology and evolution. Using complementary long-read sequencing technologies, we complete the first linear assembly of a human autosome, chromosome 8. Our assembly resolves the sequence of five previously long-standing gaps, including a 2.08 Mbp centromeric α-satellite array, a 644 kbp defensin copy number polymorphism important for disease risk, and an 863 kbp variable number tandem repeat at chromosome 8q21.2 that can function as a neocentromere. We show that the centromeric α-satellite array is generally methylated except for a 73 kbp hypomethylated region of diverse higher-order α-satellite enriched with CENP-A nucleosomes, consistent with the location of the kinetochore. Using a dual long-read sequencing approach, we complete the assembly of the orthologous chromosome 8 centromeric regions in chimpanzee, orangutan, and macaque for the first time to reconstruct its evolutionary history. Comparative and phylogenetic analyses show that the higher-order α-satellite structure evolved specifically in the great ape ancestor, and the centromeric region evolved with a layered symmetry, with more ancient higher-order repeats located at the periphery adjacent to monomeric α-satellites. We estimate that the mutation rate of centromeric satellite DNA is accelerated at least 2.2-fold, and this acceleration extends beyond the higher-order α-satellite into the flanking sequence.

Abstract Human Artificial Chromosomes (HACs) are important tools for epigenetic engineering, for measuring chromosome instability (CIN) and possible gene therapy. However, their use in the latter is potentially limited because the input HAC-seeding DNA can undergo an unpredictable series of rearrangements during HAC formation. As a result, after transfection and HAC formation, each cell clone contains a HAC with a unique structure that cannot be precisely predicted from the structure of the HAC-seeding DNA. Although it has been reported that these rearrangements can happen, the timing and mechanism of their formation has yet to be described. Here we synthesized a HAC-seeding DNA with two distinct structural domains and introduced it into HT1080 cells. We characterized a number of HAC-containing clones and subclones to track DNA rearrangements during HAC establishment. We demonstrated that rearrangements can occur early during HAC formation. Subsequently, the established HAC genomic organization is stably maintained across many cell generations. Thus, early stages in HAC formation appear to at least occasionally involve a process of DNA shredding and shuffling that resembles chromothripsis, an important hallmark of many cancer types. Understanding these events during HAC formation has critical implications for future efforts aimed at synthesizing and exploiting synthetic human chromosomes.

Mammalian centromeres direct faithful genetic inheritance and are typically characterized by regions of highly repetitive and rapidly evolving DNA. We focused on a mouse species, Mus pahari, that we found has evolved to house centromere-specifying CENP-A nucleosomes at the nexus of a satellite repeat that we identified and term π-satellite (π-sat), a small number of recruitment sites for CENP-B, and short stretches of perfect telomere repeats. One M. pahari chromosome, however, houses a radically divergent centromere harboring ~6 Mbp of a homogenized π-sat-related repeat, π-satB, that contains >20,000 functional CENP-B boxes. There, CENP-B abundance drives accumulation of microtubule-binding components of the kinetochore, as well as a microtubule-destabilizing kinesin of the inner centromere. The balance of pro- and anti-microtubule-binding by the new centromere permits it to segregate during cell division with high fidelity alongside the older ones whose sequence creates a markedly different molecular composition.