Presented here is a genome sequence of an individual human. It was produced from ∼32 million random DNA fragments, sequenced by Sanger dideoxy technology and assembled into 4,528 scaffolds, comprising 2,810 million bases (Mb) of contiguous sequence with approximately 7.5-fold coverage for any given region. We developed a modified version of the Celera assembler to facilitate the identification and comparison of alternate alleles within this individual diploid genome. Comparison of this genome and the National Center for Biotechnology Information human reference assembly revealed more than 4.1 million DNA variants, encompassing 12.3 Mb. These variants (of which 1,288,319 were novel) included 3,213,401 single nucleotide polymorphisms (SNPs), 53,823 block substitutions (2–206 bp), 292,102 heterozygous insertion/deletion events (indels)(1–571 bp), 559,473 homozygous indels (1–82,711 bp), 90 inversions, as well as numerous segmental duplications and copy number variation regions. Non-SNP DNA variation accounts for 22% of all events identified in the donor, however they involve 74% of all variant bases. This suggests an important role for non-SNP genetic alterations in defining the diploid genome structure. Moreover, 44% of genes were heterozygous for one or more variants. Using a novel haplotype assembly strategy, we were able to span 1.5 Gb of genome sequence in segments >200 kb, providing further precision to the diploid nature of the genome. These data depict a definitive molecular portrait of a diploid human genome that provides a starting point for future genome comparisons and enables an era of individualized genomic information.

We have synthesized a 582,970–base pair Mycoplasma genitalium genome. This synthetic genome, named M. genitalium JCVI-1.0, contains all the genes of wild-type M. genitalium G37 except MG408, which was disrupted by an antibiotic marker to block pathogenicity and to allow for selection. To identify the genome as synthetic, we inserted “watermarks” at intergenic sites known to tolerate transposon insertions. Overlapping “cassettes” of 5 to 7 kilobases (kb), assembled from chemically synthesized oligonucleotides, were joined by in vitro recombination to produce intermediate assemblies of approximately 24 kb, 72 kb (“1/8 genome”), and 144 kb (“1/4 genome”), which were all cloned as bacterial artificial chromosomes in Escherichia coli . Most of these intermediate clones were sequenced, and clones of all four 1/4 genomes with the correct sequence were identified. The complete synthetic genome was assembled by transformation-associated recombination cloning in the yeast Saccharomyces cerevisiae , then isolated and sequenced. A clone with the correct sequence was identified. The methods described here will be generally useful for constructing large DNA molecules from chemically synthesized pieces and also from combinations of natural and synthetic DNA segments.

Next generation sequencing (NGS) platforms are currently being utilized for targeted sequencing of candidate genes or genomic intervals to perform sequence-based association studies. To evaluate these platforms for this application, we analyzed human sequence generated by the Roche 454, Illumina GA, and the ABI SOLiD technologies for the same 260 kb in four individuals. Local sequence characteristics contribute to systematic variability in sequence coverage (>100-fold difference in per-base coverage), resulting in patterns for each NGS technology that are highly correlated between samples. A comparison of the base calls to 88 kb of overlapping ABI 3730xL Sanger sequence generated for the same samples showed that the NGS platforms all have high sensitivity, identifying >95% of variant sites. At high coverage, depth base calling errors are systematic, resulting from local sequence contexts; as the coverage is lowered additional 'random sampling' errors in base calling occur. Our study provides important insights into systematic biases and data variability that need to be considered when utilizing NGS platforms for population targeted sequencing studies.

Most RNA viruses lack the mechanisms to recognize and correct mutations that arise during genome replication, resulting in quasispecies diversity that is required for pathogenesis and adaptation. However, it is not known how viruses encoding large viral RNA genomes such as the Coronaviridae (26 to 32 kb) balance the requirements for genome stability and quasispecies diversity. Further, the limits of replication infidelity during replication of large RNA genomes and how decreased fidelity impacts virus fitness over time are not known. Our previous work demonstrated that genetic inactivation of the coronavirus exoribonuclease (ExoN) in nonstructural protein 14 (nsp14) of murine hepatitis virus results in a 15-fold decrease in replication fidelity. However, it is not known whether nsp14-ExoN is required for replication fidelity of all coronaviruses, nor the impact of decreased fidelity on genome diversity and fitness during replication and passage. We report here the engineering and recovery of nsp14-ExoN mutant viruses of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) that have stable growth defects and demonstrate a 21-fold increase in mutation frequency during replication in culture. Analysis of complete genome sequences from SARS-ExoN mutant viral clones revealed unique mutation sets in every genome examined from the same round of replication and a total of 100 unique mutations across the genome. Using novel bioinformatic tools and deep sequencing across the full-length genome following 10 population passages in vitro, we demonstrate retention of ExoN mutations and continued increased diversity and mutational load compared to wild-type SARS-CoV. The results define a novel genetic and bioinformatics model for introduction and identification of multi-allelic mutations in replication competent viruses that will be powerful tools for testing the effects of decreased fidelity and increased quasispecies diversity on viral replication, pathogenesis, and evolution.

There is much interest in characterizing the variation in a human individual, because this may elucidate what contributes significantly to a person's phenotype, thereby enabling personalized genomics. We focus here on the variants in a person's 'exome,' which is the set of exons in a genome, because the exome is believed to harbor much of the functional variation. We provide an analysis of the ∼12,500 variants that affect the protein coding portion of an individual's genome. We identified ∼10,400 nonsynonymous single nucleotide polymorphisms (nsSNPs) in this individual, of which ∼15–20% are rare in the human population. We predict ∼1,500 nsSNPs affect protein function and these tend be heterozygous, rare, or novel. Of the ∼700 coding indels, approximately half tend to have lengths that are a multiple of three, which causes insertions/deletions of amino acids in the corresponding protein, rather than introducing frameshifts. Coding indels also occur frequently at the termini of genes, so even if an indel causes a frameshift, an alternative start or stop site in the gene can still be used to make a functional protein. In summary, we reduced the set of ∼12,500 nonsilent coding variants by ∼8-fold to a set of variants that are most likely to have major effects on their proteins' functions. This is our first glimpse of an individual's exome and a snapshot of the current state of personalized genomics. The majority of coding variants in this individual are common and appear to be functionally neutral. Our results also indicate that some variants can be used to improve the current NCBI human reference genome. As more genomes are sequenced, many rare variants and non-SNP variants will be discovered. We present an approach to analyze the coding variation in humans by proposing multiple bioinformatic methods to hone in on possible functional variation.

A complex interplay of viral, host, and ecological factors shapes the spatio-temporal incidence and evolution of human influenza viruses. Although considerable attention has been paid to influenza A viruses, a lack of equivalent data means that an integrated evolutionary and epidemiological framework has until now not been available for influenza B viruses, despite their significant disease burden. Through the analysis of over 900 full genomes from an epidemiological collection of more than 26,000 strains from Australia and New Zealand, we reveal fundamental differences in the phylodynamics of the two co-circulating lineages of influenza B virus (Victoria and Yamagata), showing that their individual dynamics are determined by a complex relationship between virus transmission, age of infection, and receptor binding preference. In sum, this work identifies new factors that are important determinants of influenza B evolution and epidemiology.

Avian influenza A virus (IAV) surveillance in Northern California, USA, revealed unique IAV hemagglutinin (HA) genome sequences in cloacal swabs from lesser scaups. We found two closely related HA sequences in the same duck species in 2010 and 2013. Phylogenetic analyses suggest that both sequences belong to the recently discovered H19 subtype, which thus far has remained uncharacterized. We demonstrate that H19 does not bind the canonical IAV receptor sialic acid (Sia). Instead, H19 binds to the major histocompatibility complex class II (MHC class II), which facilitates viral entry. Unlike the broad MHC class II specificity of H17 and H18 from bat IAV, H19 exhibits a species-specific MHC class II usage that suggests a limited host range and zoonotic potential. Using cell lines overexpressing MHC class II, we rescued recombinant H19 IAV. We solved the H19 crystal structure and identified residues within the putative Sia receptor binding site (RBS) that impede Sia-dependent entry.

Background: Influenza vaccination aims to prevent infection by influenza virus and reduce associated morbidity and mortality; however, vaccine effectiveness (VE) can be modest, especially for subtype A/H3N2. Failure to achieve consistently high VE has been attributed both to mismatches between the vaccine and circulating influenza strains and to the vaccine's elicitation of protective immunity in only a subset of the population. The low H3N2 VE in 2012-13 was attributed to egg-adaptive mutations that created antigenic mismatch between the intended (A/Victoria/361/2011) and actual vaccine strain (IVR-165). Methods: We investigate the basis of the low VE in 2012-2013 by evaluating whether vaccinated and unvaccinated individuals were infected by different viral strains and assessing the serologic responses to A/Victoria/361/2011 and the IVR-165 vaccine strain in an adult cohort before and after vaccination. Results: We found no significant genetic differences between the strains that infected vaccinated and unvaccinated individuals. Vaccination increased titers to A/Victoria/361/2011 as much as to IVR-165. These results are consistent with the hypothesis that vaccination served merely to boost preexisting cross-reactive immune responses, which provided limited protection against infection with the circulating influenza strains. Conclusions: In contrast to suggestive analyses based on ferret antisera, low H3N2 VE in 2012-13 does not appear to be due to the failure of the egg-adapted strain to induce a response to the intended vaccine strain. Instead, low VE might have been caused by the emergence of antigenically novel influenza strains and low vaccine immunogenicity in a subset of the population.

Wild ducks and gulls are the major reservoirs for avian influenza A viruses (AIVs). The mechanisms that drive AIV evolution are complex at sites where various duck and gull species from multiple flyways breed, winter or stage. The Republic of Georgia is located at the intersection of three migratory flyways: Central Asian Flyway, East Asian/East African Flyway and Black Sea/Mediterranean Flyway. For six consecutive years (2010-2016), we collected AIV samples from various duck and gull species that breed, migrate and overwinter in Georgia. We found substantial subtype diversity of viruses that varied in prevalence from year to year. Low pathogenic (LP)AIV subtypes included H1N1, H2N3, H2N5, H2N7, H3N8, H4N2, H6N2, H7N3, H7N7, H9N1, H9N3, H10N4, H10N7, H11N1, H13N2, H13N6, H13N8, H16N3, plus two H5N5 and H5N8 highly pathogenic (HP)AIVs belonging to clade 2.3.4.4. Whole genome phylogenetic trees showed significant host species lineage restriction for nearly all gene segments and significant differences for LPAIVs among different host species in observed reassortment rates, as defined by quantification of phylogenetic incongruence, and in nucleotide diversity. Hemagglutinin clade 2.3.4.4 H5N8 viruses, circulated in Eurasia during 2014-2015 did not reassort, but analysis after its subsequent dissemination during 2016-2017 revealed reassortment in all gene segments except NP and NS. Some virus lineages appeared to be unrelated to AIVs in wild bird populations in other regions with maintenance of local AIV viruses in Georgia, whereas other lineages showed considerable genetic inter-relationship with viruses circulating in other parts of Eurasia and Africa, despite relative under-sampling in the area.