Diverse members of the G protein-coupled receptor (GPCR) superfamily participate in a variety of physiological functions and are major targets of pharmaceutical drugs. Here we report that the repertoire of GPCRs for endogenous ligands consists of 367 receptors in humans and 392 in mice. Included here are 26 human and 83 mouse GPCRs not previously identified. A direct comparison of GPCRs in the two species reveals an unexpected level of orthology. The evolutionary preservation of these molecules argues against functional redundancy among highly related receptors. Phylogenetic analyses cluster 60% of GPCRs according to ligand preference, allowing prediction of ligand types for dozens of orphan receptors. Expression profiling of 100 GPCRs demonstrates that most are expressed in multiple tissues and that individual tissues express multiple GPCRs. Over 90% of GPCRs are expressed in the brain. Strikingly, however, the profiles of most GPCRs are unique, yielding thousands of tissue- and cell-specific receptor combinations for the modulation of physiological processes.

Recommendations for laboratories to report incidental findings from genomic tests have stimulated interest in such results. In order to investigate the criteria and processes for assigning the pathogenicity of specific variants and to estimate the frequency of such incidental findings in patients of European and African ancestry, we classified potentially actionable pathogenic single-nucleotide variants (SNVs) in all 4300 European- and 2203 African-ancestry participants sequenced by the NHLBI Exome Sequencing Project (ESP). We considered 112 gene-disease pairs selected by an expert panel as associated with medically actionable genetic disorders that may be undiagnosed in adults. The resulting classifications were compared to classifications from other clinical and research genetic testing laboratories, as well as with in silico pathogenicity scores. Among European-ancestry participants, 30 of 4300 (0.7%) had a pathogenic SNV and six (0.1%) had a disruptive variant that was expected to be pathogenic, whereas 52 (1.2%) had likely pathogenic SNVs. For African-ancestry participants, six of 2203 (0.3%) had a pathogenic SNV and six (0.3%) had an expected pathogenic disruptive variant, whereas 13 (0.6%) had likely pathogenic SNVs. Genomic Evolutionary Rate Profiling mammalian conservation score and the Combined Annotation Dependent Depletion summary score of conservation, substitution, regulation, and other evidence were compared across pathogenicity assignments and appear to have utility in variant classification. This work provides a refined estimate of the burden of adult onset, medically actionable incidental findings expected from exome sequencing, highlights challenges in variant classification, and demonstrates the need for a better curated variant interpretation knowledge base.

During eukaryotic transcription, RNA polymerases must initiate and pause within a crowded, complex environment, surrounded by nucleosomes and other transcriptional activity. This environment creates a spatial arrangement along individual chromatin fibers ripe for both competition and coordination, yet these relationships remain largely unknown owing to the inherent limitations of traditional structural and sequencing methodologies. To address these limitations, we employed long-read chromatin fiber sequencing (Fiber-seq) to visualize RNA polymerases within their native chromatin context at single-molecule and near single-nucleotide resolution along up to 30 kb fibers. We demonstrate that Fiber-seq enables the identification of single-molecule RNA Polymerase (Pol) II and III transcription associated footprints, which, in aggregate, mirror bulk short-read sequencing-based measurements of transcription. We show that Pol II pausing destabilizes downstream nucleosomes, with frequently paused genes maintaining a short-term memory of these destabilized nucleosomes. Furthermore, we demonstrate pervasive direct coordination and anti-coordination between nearby Pol II genes, Pol III genes, transcribed enhancers, and insulator elements. This coordination is largely limited to spatially organized elements within 5 kb of each other, implicating short-range chromatin environments as a predominant determinant of coordinated polymerase initiation. Overall, transcription initiation reshapes surrounding nucleosome architecture and coordinates nearby transcriptional machinery along individual chromatin fibers.

Long-read DNA sequencing has recently emerged as a powerful tool for studying both genetic and epigenetic architectures at single-molecule and single-nucleotide resolution. Long-read epigenetic studies encompass both the direct identification of native cytosine methylation as well as the identification of exogenously placed DNA N6-methyladenine (DNA-m6A). However, detecting DNA-m6A modifications using single-molecule sequencing, as well as coprocessing single-molecule genetic and epigenetic architectures, is limited by computational demands and a lack of supporting tools. Here, we introduce fibertools, a state-of-the-art toolkit that features a semisupervised convolutional neural network for fast and accurate identification of m6A-marked bases using PacBio single-molecule long-read sequencing, as well as the coprocessing of long-read genetic and epigenetic data produced using either PacBio or Oxford Nanopore sequencing platforms. We demonstrate accurate DNA-m6A identification (>90% precision and recall) along >20 kilobase long DNA molecules with a ~1,000-fold improvement in speed. In addition, we demonstrate that fibertools can readily integrate genetic and epigenetic data at single-molecule resolution, including the seamless conversion between molecular and reference coordinate systems, allowing for accurate genetic and epigenetic analyses of long-read data within structurally and somatically variable genomic regions.

Abstract Telomeres are essential for linear genomes, yet their repetitive DNA content and somatic variability has hindered attempts to delineate their chromatin architectures. We performed single-molecule chromatin fiber sequencing (Fiber-seq) on human cells with a fully resolved genome, enabling nucleotide-precise maps of the genetic and chromatin structure of all telomeres. Telomere fibers are predominantly comprised of three distinct chromatin domains that co-occupy individual DNA molecules – multi- kilobase telomeric caps, highly accessible telomeric-subtelomeric boundary elements, and subtelomeric heterochromatin. Extended G-rich telomere variant repeats (TVRs) punctuate nearly all telomeres, and telomere caps imprecisely bridge these degenerate repeats. Telomeres demonstrate pervasive somatic alterations in length, sequence, and chromatin composition, with TVRs and adjacent CTCF-bound promoters impacting their stability and composition. Our results detail the structure and function of human telomeres. One sentence summary We use single-molecule chromatin fiber sequencing to detail the structure and function of human telomeric DNA and chromatin.

Summary The focal attachment of the kinetochore to the centromere core is essential for genome maintenance, yet the highly repetitive nature of human centromeres limits our understanding of their chromatin organization. We demonstrate that single-molecule chromatin fiber sequencing can uniquely resolve chromatin organization within centromeres at single-molecule and single-nucleotide resolution. We find that the centromere core contains a dichotomous chromatin organization not found elsewhere in the genome, which is characterized by highly accessible chromatin patches heterogeneously punctuated amongst tightly compacted nucleosome arrays. These highly accessible chromatin patches correspond to sites of kinetochore attachment, and clustered CENP-B occupancy within these patches phase nucleosome arrays to the alpha-satellite repeat. This dichotomous chromatin organization is conserved among humans despite the marked divergence of the underlying alpha-satellite organization and is similarly conserved in gibbon centromeres that lack alpha-satellite repeats, indicating that functional conservation within centromeres is mediated at the level of chromatin, not DNA sequence. Highlights Dichotomous accessible and compacted chromatin (dichromatin) marks centromere cores Highly accessible chromatin patches punctuate sites of kinetochore attachment Dichromatin can form irrespective of CENP-B occupancy Conservation within centromeres is mediated at the level of chromatin, not DNA

Resolving the molecular basis of a Mendelian condition (MC) remains challenging owing to the diverse mechanisms by which genetic variants cause disease. To address this, we developed a synchronized long-read genome, methylome, epigenome, and transcriptome sequencing approach, which enables accurate single-nucleotide, insertion-deletion, and structural variant calling and diploid de novo genome assembly, and permits the simultaneous elucidation of haplotype-resolved CpG methylation, chromatin accessibility, and full-length transcript information in a single long-read sequencing run. Application of this approach to an Undiagnosed Diseases Network (UDN) participant with a chromosome X;13 balanced translocation of uncertain significance revealed that this translocation disrupted the functioning of four separate genes (NBEA, PDK3, MAB21L1, and RB1) previously associated with single-gene MCs. Notably, the function of each gene was disrupted via a distinct mechanism that required integration of the four 9omes9 to resolve. These included nonsense-mediated decay, fusion transcript formation, enhancer adoption, transcriptional readthrough silencing, and inappropriate X chromosome inactivation of autosomal genes. Overall, this highlights the utility of synchronized long-read multi-omic profiling for mechanistically resolving complex phenotypes.

Single-molecule chromatin fiber sequencing is based on the single-nucleotide resolution identification of DNA N6-methyladenine (m6A) along individual sequencing reads. We present fibertools, a semi-supervised convolutional neural network that permits the fast and accurate identification of both endogenous and exogenous m6A-marked bases using single-molecule long-read sequencing. Fibertools enables highly accurate (>90% precision and recall) m6A identification along multi-kilobase DNA molecules with a ~1,000-fold improvement in speed and the capacity to generalize to new sequencing chemistries.

Transcript sequencing of patient derived samples has been shown to improve the diagnostic yield for solving cases of likely Mendelian disorders, yet the added benefit of full-length long-read transcript sequencing is largely unexplored.We applied short-read and full-length isoform cDNA sequencing and mitochondrial functional studies to a patient-derived fibroblast cell line from an individual with neuropathy that previously lacked a molecular diagnosis.We identified an intronic homozygous MFN2 c.600-31T>G variant that disrupts a branch point critical for intron 6 spicing. Full-length long-read isoform cDNA sequencing after treatment with a nonsense-mediated mRNA decay (NMD) inhibitor revealed that this variant creates five distinct altered splicing transcripts. All five altered splicing transcripts have disrupted open reading frames and are subject to NMD. Furthermore, a patient-derived fibroblast line demonstrated abnormal lipid droplet formation, consistent with MFN2 dysfunction. Although correctly spliced full-length MFN2 transcripts are still produced, this branch point variant results in deficient MFN2 protein levels and autosomal recessive Charcot-Marie-Tooth disease, axonal, type 2A (CMT2A).This case highlights the utility of full-length isoform sequencing for characterizing the molecular mechanism of undiagnosed rare diseases and expands our understanding of the genetic basis for CMT2A.