Abstract Nanopore long-read genome sequencing is emerging as a potential approach for the study of genomes including long repetitive elements like telomeres. Here, we report extensive basecalling induced errors at telomere repeats across nanopore datasets, sequencing platforms, basecallers, and basecalling models. We found that telomeres which are represented by (TTAGGG) n and (CCCTAA) n repeats in many organisms were frequently miscalled (~40-50% of reads) as (TTAAAA) n , or as (CTTCTT) n and (CCCTGG) n repeats respectively in a strand-specific manner during nanopore sequencing. We showed that this miscalling is likely caused by the high similarity of current profiles between telomeric repeats and these repeat artefacts, leading to mis-assignment of electrical current profiles during basecalling. We further demonstrated that tuning of nanopore basecalling models, and selective application of the tuned models to telomeric reads led to improved recovery and analysis of telomeric regions, with little detected negative impact on basecalling of other genomic regions. Our study thus highlights the importance of verifying nanopore basecalls in long, repetitive, and poorly defined regions of the genome, and showcases how such artefacts in regions like telomeres can potentially be resolved by improvements in nanopore basecalling models.

Short telomeres cause age-related disease and long telomeres predispose to cancer; however, the mechanisms regulating telomere length are unclear. To probe these mechanisms, we developed a nanopore sequencing method, Telomere Profiling, that is easy to implement, precise, and cost effective with broad applications in research and the clinic. We sequenced telomeres from individuals with short telomere syndromes and found similar telomere lengths to the clinical FlowFISH assay. We mapped telomere reads to specific chromosome end and identified both chromosome end-specific and haplotype-specific telomere length distributions. In the T2T HG002 genome, where the average telomere length is 5kb, we found a remarkable 6kb difference in lengths between some telomeres. Further, we found that specific chromosome ends were consistently shorter or longer than the average length across 147 individuals. The presence of conserved chromosome end-specific telomere lengths suggests there are new paradigms in telomere biology that are yet to be explored. Understanding the mechanisms regulating length will allow deeper insights into telomere biology that can lead to new approaches to disease.

Alterations in the structure and location of telomeres are key events in cancer genome evolution. However, previous genomic approaches, unable to span long telomeric repeat arrays, could not characterize the nature of these alterations. Here, we applied both long-read and short-read genome sequencing to assess telomere repeat-containing structures in cancers and cancer cell lines. Using long-read genome sequences that span telomeric repeat arrays, we defined four types of telomere repeat variations in cancer cells: neotelomeres where telomere addition heals chromosome breaks, chromosomal arm fusions spanning telomere repeats, fusions of neotelomeres, and peri-centromeric fusions with adjoined telomere and centromere repeats. Analysis of lung adenocarcinoma genome sequences identified somatic neotelomere and telomere-spanning fusion alterations. These results provide a framework for systematic study of telomeric repeat arrays in cancer genomes, that could serve as a model for understanding the somatic evolution of other repetitive genomic elements.

The capacity to resolve structural variants (SVs) at sequence resolution in highly repetitive genomic regions has long been intractable. Consequently, the properties, origins, and functional effects of multiple classes of complex rearrangement are unknown. To resolve these challenges, we leveraged recent technical milestones: 1) Oxford-Nanopore (ONT) sequencing; 2) the gapless Telomere-to-Telomere (T2T) genome assembly; and 3) a novel tool to discover large-scale rearrangements from long-reads. We applied these technologies across 13 patients with ring chromosomes, Robertsonian translocations, and complex balanced SVs that were unresolved by short-read sequencing. We resolved 10 of 13 events, including ring chromosomes, the complex SVs, and a Robertsonian translocation. Multiple breakpoints were localized to highly repetitive regions inaccessible to short-read alignment, such as acrocentric p-arms, ribosomal DNA arrays, and telomeric repeats, and involved complex structures such as a deletion-inversion and interchromosomal dispersed duplications. We also leveraged ONT native methylation detection to discover phased differential methylation in a gene promoter proximal to a ring fusion site, suggesting a long-range positional effect with heterochromatin spreading. Breakpoint sequences were consistent with common mechanisms of SV formation, including microhomology-mediated mechanisms, non-homologous end-joining, and non-allelic homologous recombination. These methods provide some of the first glimpses into the sequence resolution of ring chromosomes and Robertsonian translocations and illuminate the structural diversity of chromosomal rearrangements with implications for molecular diagnosis and genome biology.