Advances in modern sequencing technologies allow us to generate sufficient data to analyze hundreds of bacterial genomes from a single machine in a single day. This potential for sequencing massive numbers of genomes calls for fully automated methods to produce high-quality assemblies and variant calls. We introduce Pilon, a fully automated, all-in-one tool for correcting draft assemblies and calling sequence variants of multiple sizes, including very large insertions and deletions. Pilon works with many types of sequence data, but is particularly strong when supplied with paired end data from two Illumina libraries with small e.g., 180 bp and large e.g., 3-5 Kb inserts. Pilon significantly improves draft genome assemblies by correcting bases, fixing mis-assemblies and filling gaps. For both haploid and diploid genomes, Pilon produces more contiguous genomes with fewer errors, enabling identification of more biologically relevant genes. Furthermore, Pilon identifies small variants with high accuracy as compared to state-of-the-art tools and is unique in its ability to accurately identify large sequence variants including duplications and resolve large insertions. Pilon is being used to improve the assemblies of thousands of new genomes and to identify variants from thousands of clinically relevant bacterial strains. Pilon is freely available as open source software.

Massively parallel DNA sequencing technologies are revolutionizing genomics by making it possible to generate billions of relatively short (~100-base) sequence reads at very low cost. Whereas such data can be readily used for a wide range of biomedical applications, it has proven difficult to use them to generate high-quality de novo genome assemblies of large, repeat-rich vertebrate genomes. To date, the genome assemblies generated from such data have fallen far short of those obtained with the older (but much more expensive) capillary-based sequencing approach. Here, we report the development of an algorithm for genome assembly, ALLPATHS-LG, and its application to massively parallel DNA sequence data from the human and mouse genomes, generated on the Illumina platform. The resulting draft genome assemblies have good accuracy, short-range contiguity, long-range connectivity, and coverage of the genome. In particular, the base accuracy is high (≥99.95%) and the scaffold sizes (N50 size = 11.5 Mb for human and 7.2 Mb for mouse) approach those obtained with capillary-based sequencing. The combination of improved sequencing technology and improved computational methods should now make it possible to increase dramatically the de novo sequencing of large genomes. The ALLPATHS-LG program is available at http://www.broadinstitute.org/science/programs/genome-biology/crd .

Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) is unique among plant model organisms in having a small genome (130–140 Mb), excellent physical and genetic maps, and little repetitive DNA. Here we report the sequence of chromosome 2 from the Columbia ecotype in two gap-free assemblies (contigs) of 3.6 and 16 megabases (Mb). The latter represents the longest published stretch of uninterrupted DNA sequence assembled from any organism to date. Chromosome 2 represents 15% of the genome and encodes 4,037 genes, 49% of which have no predicted function. Roughly 250 tandem gene duplications were found in addition to large-scale duplications of about 0.5 and 4.5 Mb between chromosomes 2 and 1 and between chromosomes 2 and 4, respectively. Sequencing of nearly 2 Mb within the genetically defined centromere revealed a low density of recognizable genes, and a high density and diverse range of vestigial and presumably inactive mobile elements. More unexpected is what appears to be a recent insertion of a continuous stretch of 75% of the mitochondrial genome into chromosome 2.

Deep sequencing technologies have the potential to transform the study of highly variable viral pathogens by providing a rapid and cost-effective approach to sensitively characterize rapidly evolving viral quasispecies. Here, we report on a high-throughput whole HIV-1 genome deep sequencing platform that combines 454 pyrosequencing with novel assembly and variant detection algorithms. In one subject we combined these genetic data with detailed immunological analyses to comprehensively evaluate viral evolution and immune escape during the acute phase of HIV-1 infection. The majority of early, low frequency mutations represented viral adaptation to host CD8+ T cell responses, evidence of strong immune selection pressure occurring during the early decline from peak viremia. CD8+ T cell responses capable of recognizing these low frequency escape variants coincided with the selection and evolution of more effective secondary HLA-anchor escape mutations. Frequent, and in some cases rapid, reversion of transmitted mutations was also observed across the viral genome. When located within restricted CD8 epitopes these low frequency reverting mutations were sufficient to prime de novo responses to these epitopes, again illustrating the capacity of the immune response to recognize and respond to low frequency variants. More importantly, rapid viral escape from the most immunodominant CD8+ T cell responses coincided with plateauing of the initial viral load decline in this subject, suggestive of a potential link between maintenance of effective, dominant CD8 responses and the degree of early viremia reduction. We conclude that the early control of HIV-1 replication by immunodominant CD8+ T cell responses may be substantially influenced by rapid, low frequency viral adaptations not detected by conventional sequencing approaches, which warrants further investigation. These data support the critical need for vaccine-induced CD8+ T cell responses to target more highly constrained regions of the virus in order to ensure the maintenance of immunodominant CD8 responses and the sustained decline of early viremia.

Background The continued advance of antibiotic resistance threatens the treatment and control of many infectious diseases. This is exemplified by the largest global outbreak of extensively drug-resistant (XDR) tuberculosis (TB) identified in Tugela Ferry, KwaZulu-Natal, South Africa, in 2005 that continues today. It is unclear whether the emergence of XDR-TB in KwaZulu-Natal was due to recent inadequacies in TB control in conjunction with HIV or other factors. Understanding the origins of drug resistance in this fatal outbreak of XDR will inform the control and prevention of drug-resistant TB in other settings. In this study, we used whole genome sequencing and dating analysis to determine if XDR-TB had emerged recently or had ancient antecedents. Methods and Findings We performed whole genome sequencing and drug susceptibility testing on 337 clinical isolates of Mycobacterium tuberculosis collected in KwaZulu-Natal from 2008 to 2013, in addition to three historical isolates, collected from patients in the same province and including an isolate from the 2005 Tugela Ferry XDR outbreak, a multidrug-resistant (MDR) isolate from 1994, and a pansusceptible isolate from 1995. We utilized an array of whole genome comparative techniques to assess the relatedness among strains, to establish the order of acquisition of drug resistance mutations, including the timing of acquisitions leading to XDR-TB in the LAM4 spoligotype, and to calculate the number of independent evolutionary emergences of MDR and XDR. Our sequencing and analysis revealed a 50-member clone of XDR M. tuberculosis that was highly related to the Tugela Ferry XDR outbreak strain. We estimated that mutations conferring isoniazid and streptomycin resistance in this clone were acquired 50 y prior to the Tugela Ferry outbreak (katG S315T [isoniazid]; gidB 130 bp deletion [streptomycin]; 1957 [95% highest posterior density (HPD): 1937–1971]), with the subsequent emergence of MDR and XDR occurring 20 y (rpoB L452P [rifampicin]; pncA 1 bp insertion [pyrazinamide]; 1984 [95% HPD: 1974–1992]) and 10 y (rpoB D435G [rifampicin]; rrs 1400 [kanamycin]; gyrA A90V [ofloxacin]; 1995 [95% HPD: 1988–1999]) prior to the outbreak, respectively. We observed frequent de novo evolution of MDR and XDR, with 56 and nine independent evolutionary events, respectively. Isoniazid resistance evolved before rifampicin resistance 46 times, whereas rifampicin resistance evolved prior to isoniazid only twice. We identified additional putative compensatory mutations to rifampicin in this dataset. One major limitation of this study is that the conclusions with respect to ordering and timing of acquisition of mutations may not represent universal patterns of drug resistance emergence in other areas of the globe. Conclusions In the first whole genome-based analysis of the emergence of drug resistance among clinical isolates of M. tuberculosis, we show that the ancestral precursor of the LAM4 XDR outbreak strain in Tugela Ferry gained mutations to first-line drugs at the beginning of the antibiotic era. Subsequent accumulation of stepwise resistance mutations, occurring over decades and prior to the explosion of HIV in this region, yielded MDR and XDR, permitting the emergence of compensatory mutations. Our results suggest that drug-resistant strains circulating today reflect not only vulnerabilities of current TB control efforts but also those that date back 50 y. In drug-resistant TB, isoniazid resistance was overwhelmingly the initial resistance mutation to be acquired, which would not be detected by current rapid molecular diagnostics employed in South Africa that assess only rifampicin resistance.

The domestic dog, Canis familiaris, is a well-established model system for mapping trait and disease loci. While the original draft sequence was of good quality, gaps were abundant particularly in promoter regions of the genome, negatively impacting the annotation and study of candidate genes. Here, we present an improved genome build, canFam3.1, which includes 85 MB of novel sequence and now covers 99.8% of the euchromatic portion of the genome. We also present multiple RNA-Sequencing data sets from 10 different canine tissues to catalog ∼175,000 expressed loci. While about 90% of the coding genes previously annotated by EnsEMBL have measurable expression in at least one sample, the number of transcript isoforms detected by our data expands the EnsEMBL annotations by a factor of four. Syntenic comparison with the human genome revealed an additional ∼3,000 loci that are characterized as protein coding in human and were also expressed in the dog, suggesting that those were previously not annotated in the EnsEMBL canine gene set. In addition to ∼20,700 high-confidence protein coding loci, we found ∼4,600 antisense transcripts overlapping exons of protein coding genes, ∼7,200 intergenic multi-exon transcripts without coding potential, likely candidates for long intergenic non-coding RNAs (lincRNAs) and ∼11,000 transcripts were reported by two different library construction methods but did not fit any of the above categories. Of the lincRNAs, about 6,000 have no annotated orthologs in human or mouse. Functional analysis of two novel transcripts with shRNA in a mouse kidney cell line altered cell morphology and motility. All in all, we provide a much-improved annotation of the canine genome and suggest regulatory functions for several of the novel non-coding transcripts.

Exceptionally accurate genome reference sequences have proven to be of great value to microbial researchers. Thus, to date, about 1800 bacterial genome assemblies have been "finished" at great expense with the aid of manual laboratory and computational processes that typically iterate over a period of months or even years. By applying a new laboratory design and new assembly algorithm to 16 samples, we demonstrate that assemblies exceeding finished quality can be obtained from whole-genome shotgun data and automated computation. Cost and time requirements are thus dramatically reduced.

ABSTRACT The major cause of athlete’s foot is Trichophyton rubrum , a dermatophyte or fungal pathogen of human skin. To facilitate molecular analyses of the dermatophytes, we sequenced T. rubrum and four related species, Trichophyton tonsurans , Trichophyton equinum , Microsporum canis , and Microsporum gypseum . These species differ in host range, mating, and disease progression. The dermatophyte genomes are highly colinear yet contain gene family expansions not found in other human-associated fungi. Dermatophyte genomes are enriched for gene families containing the LysM domain, which binds chitin and potentially related carbohydrates. These LysM domains differ in sequence from those in other species in regions of the peptide that could affect substrate binding. The dermatophytes also encode novel sets of fungus-specific kinases with unknown specificity, including nonfunctional pseudokinases, which may inhibit phosphorylation by competing for kinase sites within substrates, acting as allosteric effectors, or acting as scaffolds for signaling. The dermatophytes are also enriched for a large number of enzymes that synthesize secondary metabolites, including dermatophyte-specific genes that could synthesize novel compounds. Finally, dermatophytes are enriched in several classes of proteases that are necessary for fungal growth and nutrient acquisition on keratinized tissues. Despite differences in mating ability, genes involved in mating and meiosis are conserved across species, suggesting the possibility of cryptic mating in species where it has not been previously detected. These genome analyses identify gene families that are important to our understanding of how dermatophytes cause chronic infections, how they interact with epithelial cells, and how they respond to the host immune response. IMPORTANCE Athlete’s foot, jock itch, ringworm, and nail infections are common fungal infections, all caused by fungi known as dermatophytes (fungi that infect skin). This report presents the genome sequences of Trichophyton rubrum , the most frequent cause of athlete’s foot, as well as four other common dermatophytes. Dermatophyte genomes are enriched for four gene classes that may contribute to the ability of these fungi to cause disease. These include (i) proteases secreted to degrade skin; (ii) kinases, including pseudokinases, that are involved in signaling necessary for adapting to skin; (iii) secondary metabolites, compounds that act as toxins or signals in the interactions between fungus and host; and (iv) a class of proteins (LysM) that appear to bind and mask cell wall components and carbohydrates, thus avoiding the host’s immune response to the fungi. These genome sequences provide a strong foundation for future work in understanding how dermatophytes cause disease.

Abstract Histoplasma capsulatum , a dimorphic fungal pathogen, is the most common cause of fungal respiratory infections in immunocompetent hosts. Histoplasma is endemic in the Ohio and Mississippi River Valleys in the United States and also distributed worldwide. Previous studies revealed at least eight clades, each specific to a geographic location: North American classes 1 and 2 (NAm 1 and NAm 2), Latin American groups A and B (LAm A and LAm B), Eurasian, Netherlands, Australian and African, and an additional distinct lineage (H81) comprised of Panamanian isolates. Previously assembled Histoplasma genomes are highly fragmented, with the highly repetitive G217B (NAm 2) strain, which has been used for most whole genome-scale transcriptome studies, assembled into over 250 contigs. In this study, we set out to fully assemble the repeat regions and characterize the large-scale genome architecture of Histoplasma species. We re-sequenced five Histoplasma strains (WU24 (NAm 1), G217B (NAm 2), H88 (African), G186AR (Panama), and G184AR (Panama)) using Oxford Nanopore Technologies long-read sequencing technology. Here we report chromosomal-level assemblies for all five strains, which exhibit extensive synteny among the geographically distant Histoplasma isolates. The new assemblies revealed that RYP2 , a major regulator of morphology and virulence, is duplicated in G186AR. In addition, we mapped previously generated transcriptome datasets onto the newly assembled chromosomes. Our analyses revealed that the expression of transposons and transposon-embedded genes are upregulated in yeast phase compared to mycelial phase in G217B and H88 strains. This study provides an important resource for fungal researchers and further highlights the importance of chromosomal-level assemblies in analyzing high-throughput datasets. Importance Histoplasma species are dimorphic fungi causing significant morbidity and mortality worldwide. These fungi grow as mold in the soil and as budding yeast within the human host. Histoplasma can be isolated from soil in diverse regions, including North America, South America, Africa and Europe. Phylogenetically distinct species of Histoplasma have been isolated and sequenced. However, for the commonly used strains, genome assemblies have been fragmented, leading to underutilization of genome-scale data. This study provides chromosome-level assemblies of the commonly used Histoplasma strains using long-read sequencing technology. Comparative analysis of these genomes shows largely conserved gene order within the chromosomes. Mapping existing transcriptome data on these new assemblies reveals clustering of transcriptionally co-regulated genes. Results of this study highlight the importance of obtaining chromosome-level assemblies in understanding the biology of human fungal pathogens.

Abstract Background Carbapenem-resistant Enterobacterales (CRE) are an urgent global health threat. Inferring the dynamics of local CRE dissemination is currently limited by our inability to confidently trace the spread of resistance determinants to unrelated bacterial hosts. Whole genome sequence comparison is useful for identifying CRE clonal transmission and outbreaks, but high-frequency horizontal gene transfer (HGT) of carbapenem resistance genes and subsequent genome rearrangement complicate tracing the local persistence and mobilization of these genes across organisms. Methods To overcome this limitation, we developed a new approach to identify recent HGT of large, near-identical plasmid segments across species boundaries, which also allowed us to overcome technical challenges with genome assembly. We applied this to complete and near-complete genome assemblies to examine the local spread of CRE in a systematic, prospective collection of all CRE, as well as time- and species-matched carbapenem susceptible Enterobacterales , isolated from patients from four U.S. hospitals over nearly five years. Results Our CRE collection comprised a diverse range of species, lineages and carbapenem resistance mechanisms, many of which were encoded on a variety of promiscuous plasmid types. We found and quantified rearrangement, persistence, and repeated transfer of plasmid segments, including those harboring carbapenemases, between organisms over multiple years. Some plasmid segments were found to be strongly associated with specific locales, thus representing geographic signatures that make it possible to trace recent and localized HGT events. Functional analysis of these signatures revealed genes commonly found in plasmids of nosocomial pathogens, such as functions required for plasmid retention and spread, as well survival against a variety of antibiotic and antiseptics common to the hospital environment. Conclusions Collectively, the framework we developed provides a clearer, high resolution picture of the epidemiology of antibiotic resistance importation, spread, and persistence in patients and healthcare networks.