A microfluidics approach that links short sequence reads enables haplotype construction and complex variation identification from tiny amounts of input DNA. Haplotyping of human chromosomes is a prerequisite for cataloguing the full repertoire of genetic variation. We present a microfluidics-based, linked-read sequencing technology that can phase and haplotype germline and cancer genomes using nanograms of input DNA. This high-throughput platform prepares barcoded libraries for short-read sequencing and computationally reconstructs long-range haplotype and structural variant information. We generate haplotype blocks in a nuclear trio that are concordant with expected inheritance patterns and phase a set of structural variants. We also resolve the structure of the EML4-ALK gene fusion in the NCI-H2228 cancer cell line using phased exome sequencing. Finally, we assign genetic aberrations to specific megabase-scale haplotypes generated from whole-genome sequencing of a primary colorectal adenocarcinoma. This approach resolves haplotype information using up to 100 times less genomic DNA than some methods and enables the accurate detection of structural variants.

Large-scale population analyses coupled with advances in technology have demonstrated that the human genome is more diverse than originally thought. To date, this diversity has largely been uncovered using short-read whole-genome sequencing. However, these short-read approaches fail to give a complete picture of a genome. They struggle to identify structural events, cannot access repetitive regions, and fail to resolve the human genome into haplotypes. Here, we describe an approach that retains long range information while maintaining the advantages of short reads. Starting from ∼1 ng of high molecular weight DNA, we produce barcoded short-read libraries. Novel informatic approaches allow for the barcoded short reads to be associated with their original long molecules producing a novel data type known as "Linked-Reads". This approach allows for simultaneous detection of small and large variants from a single library. In this manuscript, we show the advantages of Linked-Reads over standard short-read approaches for reference-based analysis. Linked-Reads allow mapping to 38 Mb of sequence not accessible to short reads, adding sequence in 423 difficult-to-sequence genes including disease-relevant genes STRC, SMN1, and SMN2 Both Linked-Read whole-genome and whole-exome sequencing identify complex structural variations, including balanced events and single exon deletions and duplications. Further, Linked-Reads extend the region of high-confidence calls by 68.9 Mb. The data presented here show that Linked-Reads provide a scalable approach for comprehensive genome analysis that is not possible using short reads alone.

Large-scale population based analyses coupled with advances in technology have demonstrated that the human genome is more diverse than originally thought. Standard short-read approaches, used primarily due to accuracy, throughput and costs, fail to give a complete picture of a genome. They struggle to identify large, balanced structural events, cannot access repetitive regions of the genome and fail to resolve the human genome into its two haplotypes. Here we describe an approach that retains long range information while harnessing the power of short reads. Starting from only ~1ng of DNA, we produce barcoded short read libraries. The use of novel informatic approaches allows for the barcoded short reads to be associated with the long molecules of origin producing a novel datatype known as 'Linked-Reads'. This approach allows for simultaneous detection of small and large variants from a single Linked-Read library. We have previously demonstrated the utility of whole genome Linked-Reads (lrWGS) for performing diploid, de novo assembly of individual genomes (Weisenfeld et al. 2017). In this manuscript, we show the utility of reference based analysis using a single Linked-Read library for full spectrum genome analysis. We demonstrate the ability of Linked-Reads to reconstruct megabase scale haplotypes and to recover parts of the genome that are typically inaccessible to short reads, including phenotypically important genes such as STRC, SMN1 and SMN2. We demonstrate the ability of both lrWGS and Linked-Read Whole Exome Sequencing (lrWES) to identify complex structural variations, including balanced events, single exon deletions, and single exon duplications. The data presented here show that Linked-Reads provide a scalable approach for comprehensive genome analysis that is not possible using short reads alone.