We present single-molecule, real-time sequencing data obtained from a DNA polymerase performing uninterrupted template-directed synthesis using four distinguishable fluorescently labeled deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs). We detected the temporal order of their enzymatic incorporation into a growing DNA strand with zero-mode waveguide nanostructure arrays, which provide optical observation volume confinement and enable parallel, simultaneous detection of thousands of single-molecule sequencing reactions. Conjugation of fluorophores to the terminal phosphate moiety of the dNTPs allows continuous observation of DNA synthesis over thousands of bases without steric hindrance. The data report directly on polymerase dynamics, revealing distinct polymerization states and pause sites corresponding to DNA secondary structure. Sequence data were aligned with the known reference sequence to assay biophysical parameters of polymerization for each template position. Consensus sequences were generated from the single-molecule reads at 15-fold coverage, showing a median accuracy of 99.3%, with no systematic error beyond fluorophore-dependent error rates.

Structural variants are implicated in numerous diseases and make up the majority of varying nucleotides among human genomes. Here we describe an integrated set of eight structural variant classes comprising both balanced and unbalanced variants, which we constructed using short-read DNA sequencing data and statistically phased onto haplotype blocks in 26 human populations. Analysing this set, we identify numerous gene-intersecting structural variants exhibiting population stratification and describe naturally occurring homozygous gene knockouts that suggest the dispensability of a variety of human genes. We demonstrate that structural variants are enriched on haplotypes identified by genome-wide association studies and exhibit enrichment for expression quantitative trait loci. Additionally, we uncover appreciable levels of structural variant complexity at different scales, including genic loci subject to clusters of repeated rearrangement and complex structural variants with multiple breakpoints likely to have formed through individual mutational events. Our catalogue will enhance future studies into structural variant demography, functional impact and disease association. The Structural Variation Analysis Group of The 1000 Genomes Project reports an integrated structural variation map based on discovery and genotyping of eight major structural variation classes in 2,504 unrelated individuals from across 26 populations; structural variation is compared within and between populations and its functional impact is quantified. The Structural Variation Analysis Group of The 1000 Genomes Project reports an integrated structural variation map based on discovery and genotyping of eight major structural variation classes in genomes for 2,504 unrelated individuals from across 26 populations. They characterize structural variation within and between populations and quantify its functional effect. The authors further create a phased reference panel that will be valuable for population genetic and disease association studies.

A large outbreak of diarrhea and the hemolytic–uremic syndrome caused by an unusual serotype of Shiga-toxin–producing Escherichia coli (O104:H4) began in Germany in May 2011. As of July 22, a large number of cases of diarrhea caused by Shiga-toxin–producing E. coli have been reported — 3167 without the hemolytic–uremic syndrome (16 deaths) and 908 with the hemolytic–uremic syndrome (34 deaths) — indicating that this strain is notably more virulent than most of the Shiga-toxin–producing E. coli strains. Preliminary genetic characterization of the outbreak strain suggested that, unlike most of these strains, it should be classified within the enteroaggregative pathotype of E. coli.

Microglia, the brain’s resident macrophages, help to regulate brain function by removing dying neurons, pruning non-functional synapses, and producing ligands that support neuronal survival1. Here we show that microglia are also critical modulators of neuronal activity and associated behavioural responses in mice. Microglia respond to neuronal activation by suppressing neuronal activity, and ablation of microglia amplifies and synchronizes the activity of neurons, leading to seizures. Suppression of neuronal activation by microglia occurs in a highly region-specific fashion and depends on the ability of microglia to sense and catabolize extracellular ATP, which is released upon neuronal activation by neurons and astrocytes. ATP triggers the recruitment of microglial protrusions and is converted by the microglial ATP/ADP hydrolysing ectoenzyme CD39 into AMP; AMP is then converted into adenosine by CD73, which is expressed on microglia as well as other brain cells. Microglial sensing of ATP, the ensuing microglia-dependent production of adenosine, and the adenosine-mediated suppression of neuronal responses via the adenosine receptor A1R are essential for the regulation of neuronal activity and animal behaviour. Our findings suggest that this microglia-driven negative feedback mechanism operates similarly to inhibitory neurons and is essential for protecting the brain from excessive activation in health and disease. Microglia, the brain’s immune cells, suppress neuronal activity in response to synaptic ATP release and alter behavioural responses in mice.

A combination of single-molecule long-read sequencing, single-molecule genome mapping and short-read sequencing provides reference-quality de novo assemblies and also shows improved phasing and variant detection over short-read assemblies when mapping to a reference genome. We present the first comprehensive analysis of a diploid human genome that combines single-molecule sequencing with single-molecule genome maps. Our hybrid assembly markedly improves upon the contiguity observed from traditional shotgun sequencing approaches, with scaffold N50 values approaching 30 Mb, and we identified complex structural variants (SVs) missed by other high-throughput approaches. Furthermore, by combining Illumina short-read data with long reads, we phased both single-nucleotide variants and SVs, generating haplotypes with over 99% consistency with previous trio-based studies. Our work shows that it is now possible to integrate single-molecule and high-throughput sequence data to generate de novo assembled genomes that approach reference quality.

Centromeres are essential for chromosome segregation, yet their DNA sequences evolve rapidly. In most animals and plants that have been studied, centromeres contain megabase-scale arrays of tandem repeats. Despite their importance, very little is known about the degree to which centromere tandem repeats share common properties between different species across different phyla. We used bioinformatic methods to identify high-copy tandem repeats from 282 species using publicly available genomic sequence and our own data. Our methods are compatible with all current sequencing technologies. Long Pacific Biosciences sequence reads allowed us to find tandem repeat monomers up to 1,419 bp. We assumed that the most abundant tandem repeat is the centromere DNA, which was true for most species whose centromeres have been previously characterized, suggesting this is a general property of genomes. High-copy centromere tandem repeats were found in almost all animal and plant genomes, but repeat monomers were highly variable in sequence composition and length. Furthermore, phylogenetic analysis of sequence homology showed little evidence of sequence conservation beyond approximately 50 million years of divergence. We find that despite an overall lack of sequence conservation, centromere tandem repeats from diverse species showed similar modes of evolution. While centromere position in most eukaryotes is epigenetically determined, our results indicate that tandem repeats are highly prevalent at centromeres of both animal and plant genomes. This suggests a functional role for such repeats, perhaps in promoting concerted evolution of centromere DNA across chromosomes.

Blighted Gotham Deaths caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in New York City (NYC) during the spring of 2020 have vastly exceeded those reported in China and many other countries. What were the early events that led to such a severe outbreak? Gonzalez-Reiche et al. sampled some of the early patients seeking assistance in February and March of 2020 at the Mount Sinai Health System. Phylogenetic analysis of virus sequences in these people, who were drawn from across NYC, showed that the virus had been independently introduced many times from Europe and elsewhere in the United States. Subsequent clusters of community transmission occurred. The focus of infection in NYC is a marker of the role this city plays as a two-way hub for human movement. Science this issue p. 297

ABSTRACT Escherichia coli sequence type 131 (ST131) has emerged globally as the most predominant extraintestinal pathogenic lineage within this clinically important species, and its association with fluoroquinolone and extended-spectrum cephalosporin resistance impacts significantly on treatment. The evolutionary histories of this lineage, and of important antimicrobial resistance elements within it, remain unclearly defined. This study of the largest worldwide collection ( n = 215) of sequenced ST131 E. coli isolates to date demonstrates that the clonal expansion of two previously recognized antimicrobial-resistant clades, C1/ H 30R and C2/ H 30Rx, started around 25 years ago, consistent with the widespread introduction of fluoroquinolones and extended-spectrum cephalosporins in clinical medicine. These two clades appear to have emerged in the United States, with the expansion of the C2/ H 30Rx clade driven by the acquisition of a bla CTX-M-15 -containing IncFII-like plasmid that has subsequently undergone extensive rearrangement. Several other evolutionary processes influencing the trajectory of this drug-resistant lineage are described, including sporadic acquisitions of CTX-M resistance plasmids and chromosomal integration of bla CTX-M within subclusters followed by vertical evolution. These processes are also occurring for another family of CTX-M gene variants more recently observed among ST131, the bla CTX-M-14/14-like group. The complexity of the evolutionary history of ST131 has important implications for antimicrobial resistance surveillance, epidemiological analysis, and control of emerging clinical lineages of E. coli . These data also highlight the global imperative to reduce specific antibiotic selection pressures and demonstrate the important and varied roles played by plasmids and other mobile genetic elements in the perpetuation of antimicrobial resistance within lineages. IMPORTANCE Escherichia coli , perennially a major bacterial pathogen, is becoming increasingly difficult to manage due to emerging resistance to all preferred antimicrobials. Resistance is concentrated within specific E. coli lineages, such as sequence type 131 (ST131). Clarification of the genetic basis for clonally associated resistance is key to devising intervention strategies. We used high-resolution genomic analysis of a large global collection of ST131 isolates to define the evolutionary history of extended-spectrum beta-lactamase production in ST131. We documented diverse contributory genetic processes, including stable chromosomal integrations of resistance genes, persistence and evolution of mobile resistance elements within sublineages, and sporadic acquisition of different resistance elements. Both global distribution and regional segregation were evident. The diversity of resistance element acquisition and propagation within ST131 indicates a need for control and surveillance strategies that target both bacterial strains and mobile genetic elements.

Abstract Targeted sequencing has proven to be an economical means of obtaining sequence information for one or more defined regions of a larger genome. However, most target enrichment methods require amplification. Some genomic regions, such as those with extreme GC content and repetitive sequences, are recalcitrant to faithful amplification. Yet, many human genetic disorders are caused by repeat expansions, including difficult to sequence tandem repeats. We have developed a novel, amplification-free enrichment technique that employs the CRISPR-Cas9 system for specific targeting multiple genomic loci. This method, in conjunction with long reads generated through Single Molecule, Real-Time (SMRT) sequencing and unbiased coverage, enables enrichment and sequencing of complex genomic regions that cannot be investigated with other technologies. Using human genomic DNA samples, we demonstrate successful targeting of causative loci for Huntington’s disease ( HTT ; CAG repeat), Fragile X syndrome ( FMR1 ; CGG repeat), amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia ( C9orf72 ; GGGGCC repeat), and spinocerebellar ataxia type 10 (SCA10) ( ATXN10 ; variable ATTCT repeat). The method, amenable to multiplexing across multiple genomic loci, uses an amplification-free approach that facilitates the isolation of hundreds of individual on-target molecules in a single SMRT Cell and accurate sequencing through long repeat stretches, regardless of extreme GC percent or sequence complexity content. Our novel targeted sequencing method opens new doors to genomic analyses independent of PCR amplification that will facilitate the study of repeat expansion disorders.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a common and complex neurodegenerative disorder. Loss of neuromelanin-containing dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra (SN) is a hallmark of PD neuropathology; the etiology of PD remains unclear. Single-cell (-nucleus) RNA sequencing (sc or snRNAseq) has significantly advanced our understanding of neurodegenerative diseases including Alzheimer’s, but limited progress has been made in PD. Here we generated by far the largest snRNAseq data of high-quality 315,867 nuclei from the human SN including 9 healthy controls and 23 idiopathic PD cases across different Braak stages. Clustering analysis identified major brain cell types including DA neurons, excitatory neurons, inhibitory neurons, glial cells, endothelial, pericytes, fibroblast and T-cells in the human SN. By combining immunostaining and validating against the datasets from independent cohorts, we identified three molecularly distinct subtypes of DA-related neurons, including a RIT2 -enriched population, in human aged SN. All DA neuron subtypes degenerated in PD, whereas the composition of non-neuronal cell clusters including major glial types showed little change. Our study delineated cell-type-specific PD-linked gene expression in the SN and their alterations in PD. Examination of cell-type-based transcriptomic changes suggests the complexity and diversity of molecular mechanisms of PD. Analysis of the remaining DA neurons of the three subtypes from PD demonstrated alterations of common gene sets associated with neuroprotection. Our findings highlight the heterogeneity of DA neurons in the human SN and suggest molecular basis for vulnerability and resilience of human DA neurons in PD. Our cohort thus provides a valuable resource for dissecting detailed mechanisms of DA neuron degeneration and identifying new neuroprotective strategies for PD.