Primate-specific segmental duplications are considered important in human disease and evolution. The inability to distinguish between allelic and duplication sequence overlap has hampered their characterization as well as assembly and annotation of our genome. We developed a method whereby each public sequence is analyzed at the clone level for overrepresentation within a whole-genome shotgun sequence. This test has the ability to detect duplications larger than 15 kilobases irrespective of copy number, location, or high sequence similarity. We mapped 169 large regions flanked by highly similar duplications. Twenty-four of these hot spots of genomic instability have been associated with genetic disease. Our analysis indicates a highly nonrandom chromosomal and genic distribution of recent segmental duplications, with a likely role in expanding protein diversity.

The human genome contains numerous blocks of highly homologous duplicated sequence. This higher-order architecture provides a substrate for recombination and recurrent chromosomal rearrangement associated with genomic disease. However, an assessment of the role of segmental duplications in normal variation has not yet been made. On the basis of the duplication architecture of the human genome, we defined a set of 130 potential rearrangement hotspots and constructed a targeted bacterial artificial chromosome (BAC) microarray (with 2,194 BACs) to assess copy-number variation in these regions by array comparative genomic hybridization. Using our segmental duplication BAC microarray, we screened a panel of 47 normal individuals, who represented populations from four continents, and we identified 119 regions of copy-number polymorphism (CNP), 73 of which were previously unreported. We observed an equal frequency of duplications and deletions, as well as a 4-fold enrichment of CNPs within hotspot regions, compared with control BACs (P < .000001), which suggests that segmental duplications are a major catalyst of large-scale variation in the human genome. Importantly, segmental duplications themselves were also significantly enriched >4-fold within regions of CNP. Almost without exception, CNPs were not confined to a single population, suggesting that these either are recurrent events, having occurred independently in multiple founders, or were present in early human populations. Our study demonstrates that segmental duplications define hotspots of chromosomal rearrangement, likely acting as mediators of normal variation as well as genomic disease, and it suggests that the consideration of genomic architecture can significantly improve the ascertainment of large-scale rearrangements. Our specialized segmental duplication BAC microarray and associated database of structural polymorphisms will provide an important resource for the future characterization of human genomic disorders.

Segmental duplications play fundamental roles in both genomic disease and gene evolution. To understand their organization within the human genome, we have developed the computational tools and methods necessary to detect identity between long stretches of genomic sequence despite the presence of high copy repeats and large insertion-deletions. Here we present our analysis of the most recent genome assembly (January 2001) in which we focus on the global organization of these segments and the role they play in the whole-genome assembly process. Initially, we considered only large recent duplication events that fell well-below levels of draft sequencing error (alignments 90%–98% similar and ≥1 kb in length). Duplications (90%–98%; ≥1 kb) comprise 3.6% of all human sequence. These duplications show clustering and up to 10-fold enrichment within pericentromeric and subtelomeric regions. In terms of assembly, duplicated sequences were found to be over-represented in unordered and unassigned contigs indicating that duplicated sequences are difficult to assign to their proper position. To assess coverage of these regions within the genome, we selected BACs containing interchromosomal duplications and characterized their duplication pattern by FISH. Only 47% (106/224) of chromosomes positive by FISH had a corresponding chromosomal position by BLAST comparison. We present data that indicate that this is attributable to misassembly, misassignment, and/or decreased sequencing coverage within duplicated regions. Surprisingly, if we consider putative duplications >98% identity, we identify 10.6% (286 Mb) of the current assembly as paralogous. The majority of these alignments, we believe, represent unmerged overlaps within unique regions. Taken together the above data indicate that segmental duplications represent a significant impediment to accurate human genome assembly, requiring the development of specialized techniques to finish these exceptional regions of the genome. The identification and characterization of these highly duplicated regions represents an important step in the complete sequencing of a human reference genome.

Relative to genomes of other sequenced organisms, the human genome appears particularly enriched for large, highly homologous segmental duplications (> or =90% sequence identity and > or =10 kbp in length). The molecular basis for this enrichment is unknown. We sought to gain insight into the mechanism of origin, by systematically examining sequence features at the junctions of duplications. We analyzed 9,464 junctions within regions of high-quality finished sequence from a genomewide set of 2,366 duplication alignments. We observed a highly significant (P<.0001) enrichment of Alu short interspersed element (SINE) sequences near or within the junction. Twenty-seven percent of all segmental duplications terminated within an Alu repeat. The Alu junction enrichment was most pronounced for interspersed segmental duplications separated by > or =1 Mb of intervening sequence. Alu elements at the junctions showed higher levels of divergence, consistent with Alu-Alu-mediated recombination events. When we classified Alu elements into major subfamilies, younger elements (AluY and AluS) accounted for the enrichment, whereas the oldest primate family (AluJ) showed no enrichment. We propose that the primate-specific burst of Alu retroposition activity (which occurred 35-40 million years ago) sensitized the ancestral human genome for Alu-Alu-mediated recombination events, which, in turn, initiated the expansion of gene-rich segmental duplications and their subsequent role in nonallelic homologous recombination.

X inactivation is a chromosome-specific form of genetic regulation in which thousands of genes on one homologue become silenced early in female embryogenesis. Although many aspects of X inactivation are now understood, the spread of the X inactivation signal along the entire length of the chromosome remains enigmatic. Extending the Gartler–Riggs model [Gartler, S. M. & Riggs, A. D. (1983) Annu. Rev. Genet. 17, 155–190], Lyon recently proposed [Lyon, M. F. (1998) Cytogenet. Cell Genet. 80, 133–137] that a nonrandom organization of long interspersed element (LINE) repetitive sequences on the X chromosome might be responsible for its facultative heterochromatization. In this paper, we present data indicating that the LINE-1 (L1) composition of the human X chromosome is fundamentally distinct from that of human autosomes. The X chromosome is enriched 2-fold for L1 repetitive elements, with the greatest enrichment observed for a restricted subset of LINE-1 elements that were active <100 million years ago. Regional analysis of the X chromosome reveals that the most significant clustering of these elements is in Xq13–Xq21 (the center of X inactivation). Genomic segments harboring genes that escape inactivation are significantly reduced in L1 content compared with X chromosome segments containing genes subject to X inactivation, providing further support for the association between X inactivation and L1 content. These nonrandom properties of L1 distribution on the X chromosome provide strong evidence that L1 elements may serve as DNA signals to propagate X inactivation along the chromosome.

The term golden hour was coined to encourage urgency of trauma care. In 2009, Secretary of Defense Robert M. Gates mandated prehospital helicopter transport of critically injured combat casualties in 60 minutes or less.To compare morbidity and mortality outcomes for casualties before vs after the mandate and for those who underwent prehospital helicopter transport in 60 minutes or less vs more than 60 minutes.A retrospective descriptive analysis of battlefield data examined 21,089 US military casualties that occurred during the Afghanistan conflict from September 11, 2001, to March 31, 2014. Analysis was conducted from September 1, 2014, to January 21, 2015.Data for all casualties were analyzed according to whether they occurred before or after the mandate. Detailed data for those who underwent prehospital helicopter transport were analyzed according to whether they occurred before or after the mandate and whether they occurred in 60 minutes or less vs more than 60 minutes. Casualties with minor wounds were excluded. Mortality and morbidity outcomes and treatment capability-related variables were compared.For the total casualty population, the percentage killed in action (16.0% [386 of 2411] vs 9.9% [964 of 9755]; P < .001) and the case fatality rate ([CFR] 13.7 [469 of 3429] vs 7.6 [1344 of 17,660]; P < .001) were higher before vs after the mandate, while the percentage died of wounds (4.1% [83 of 2025] vs 4.3% [380 of 8791]; P = .71) remained unchanged. Decline in CFR after the mandate was associated with an increasing percentage of casualties transported in 60 minutes or less (regression coefficient, -0.141; P < .001), with projected vs actual CFR equating to 359 lives saved. Among 4542 casualties (mean injury severity score, 17.3; mortality, 10.1% [457 of 4542]) with detailed data, there was a decrease in median transport time after the mandate (90 min vs 43 min; P < .001) and an increase in missions achieving prehospital helicopter transport in 60 minutes or less (24.8% [181 of 731] vs 75.2% [2867 of 3811]; P < .001). When adjusted for injury severity score and time period, the percentage killed in action was lower for those critically injured who received a blood transfusion (6.8% [40 of 589] vs 51.0% [249 of 488]; P < .001) and were transported in 60 minutes or less (25.7% [205 of 799] vs 30.2% [84 of 278]; P < .01), while the percentage died of wounds was lower among those critically injured initially treated by combat support hospitals (9.1% [48 of 530] vs 15.7% [86 of 547]; P < .01). Acute morbidity was higher among those critically injured who were transported in 60 minutes or less (36.9% [295 of 799] vs 27.3% [76 of 278]; P < .01), those severely and critically injured initially treated at combat support hospitals (severely injured, 51.1% [161 of 315] vs 33.1% [104 of 314]; P < .001; and critically injured, 39.8% [211 of 530] vs 29.3% [160 of 547]; P < .001), and casualties who received a blood transfusion (50.2% [618 of 1231] vs 3.7% [121 of 3311]; P < .001), emphasizing the need for timely advanced treatment.A mandate made in 2009 by Secretary of Defense Gates reduced the time between combat injury and receiving definitive care. Prehospital transport time and treatment capability are important factors for casualty survival on the battlefield.

Plasmodium falciparum parasites that are resistant to artemisinins have been detected in Southeast Asia. Resistance is associated with several polymorphisms in the parasite's K13-propeller gene. The molecular epidemiology of these artemisinin resistance genotypes in African parasite populations is unknown. We developed an assay to quantify rare polymorphisms in parasite populations that uses a pooled deep-sequencing approach to score allele frequencies, validated it by evaluating mixtures of laboratory parasite strains, and then used it to screen P. falciparum parasites from >1100 African infections collected since 2002 from 14 sites across sub-Saharan Africa. We found no mutations in African parasite populations that are associated with artemisinin resistance in Southeast Asian parasites. However, we observed 15 coding mutations, including 12 novel mutations, and limited allele sharing between parasite populations, consistent with a large reservoir of naturally occurring K13-propeller variation. Although polymorphisms associated with artemisinin resistance in P. falciparum in Southeast Asia are not prevalent in sub-Saharan Africa, numerous K13-propeller coding polymorphisms circulate in Africa. Although their distributions do not support a widespread selective sweep for an artemisinin-resistant phenotype, the impact of these mutations on artemisinin susceptibility is unknown and will require further characterization. Rapid, scalable molecular surveillance offers a useful adjunct in tracking and containing artemisinin resistance.

ABSTRACT High-throughput Plasmodium genomic data is increasingly useful in assessing prevalence of clinically important mutations and malaria transmission patterns. Understanding parasite diversity is important for identification of specific human or parasite populations that can be targeted by control programs, and to monitor the spread of mutations associated with drug resistance. An up-to-date understanding of regional parasite population dynamics is also critical to monitor the impact of control efforts. However, this data is largely absent from high-burden nations in Africa, and to date, no such analysis has been conducted for malaria parasites in Tanzania country-wide. To this end, over 1,000 P. falciparum clinical isolates were collected in 2017 from 13 sites in seven administrative regions across Tanzania, and parasites were genotyped at 1,800 variable positions genome-wide using molecular inversion probes. Population structure was detectable among Tanzanian P. falciparum parasites, roughly separating parasites from the northern and southern districts and identifying genetically admixed populations in the north. Isolates from geographically close districts were more likely to be genetically related compared to parasites sampled from more distant districts. Known drug resistance mutations were seen at increased frequency in northern districts, and additional variants with undetermined significance for antimalarial resistance also varied by geography. Malaria Indicator Survey (2017) data corresponded with genetic findings, including average region-level complexity-of-infection and malaria prevalence estimates. The parasite populations identified here provide important information on extant spatial patterns of genetic diversity of Tanzanian parasites, to which future surveys of genetic relatedness can be compared. SIGNIFICANCE Documenting dynamics of malaria parasite genomics in high-transmission settings at scale in sub-Saharan Africa is critical for policy and decision making to support ongoing malaria elimination initiatives. Using molecular inversion probes, we genotyped over 1,000 Tanzanian Plasmodium falciparum samples collected country-wide in 2017 at hundreds of variable polymorphic positions across the genome. Frequencies of known drug resistance mutations were higher in northern districts of the country compared to the south. Results also showed a distinct isolation-by-distance pattern (whereby increasing geographic distance was correlated with decreasing genetic relatedness), as well as signals of higher genetic sharing between several southern districts. These results provide, for the first time, a picture of current within-country diversity of Tanzanian P. falciparum populations.

In 2021, nationwide malaria molecular surveillance revealed a high prevalence of a validated artemisinin resistance marker, the kelch13 (k13) Arg561His mutation, in the Kagera region of northwestern Tanzania. We aimed to investigate the efficacy of artemether-lumefantrine and artesunate-amodiaquine and to confirm the presence of artemisinin partial resistance (ART-R) in the Karagwe district of this region.