Abstract The current human reference genome, GRCh38, represents over 20 years of effort to generate a high-quality assembly, which has greatly benefited society 1, 2 . However, it still has many gaps and errors, and does not represent a biological human genome since it is a blend of multiple individuals 3, 4 . Recently, a high-quality telomere-to-telomere reference genome, CHM13, was generated with the latest long-read technologies, but it was derived from a hydatidiform mole cell line with a duplicate genome, and is thus nearly homozygous 5 . To address these limitations, the Human Pangenome Reference Consortium (HPRC) recently formed with the goal of creating a collection of high-quality, cost-effective, diploid genome assemblies for a pangenome reference that represents human genetic diversity 6 . Here, in our first scientific report, we determined which combination of current genome sequencing and automated assembly approaches yields the most complete, accurate, and cost-effective diploid genome assemblies with minimal manual curation. Approaches that used highly accurate long reads and parent-child data to sort haplotypes during assembly outperformed those that did not. Developing a combination of all the top performing methods, we generated our first high- quality diploid reference assembly, containing only ∼4 gaps (range 0-12) per chromosome, most within + 1% of CHM13’s length. Nearly 1/4th of protein coding genes have synonymous amino acid changes between haplotypes, and centromeric regions showed the highest density of variation. Our findings serve as a foundation for assembling near-complete diploid human genomes at the scale required for constructing a human pangenome reference that captures all genetic variation from single nucleotides to large structural rearrangements.

Abstract SMC protein complexes structure genomes by extruding DNA loops, but the molecular mechanism that underlies their activity has remained unknown. We show that the active condensin complex entraps the bases of a DNA loop in two separate chambers. Single-molecule and cryo-electron microscopy provide evidence for a power-stroke movement at the first chamber that feeds DNA into the SMC-kleisin ring upon ATP binding, while the second chamber holds on upstream of the same DNA double helix. Unlocking the strict separation of ‘motor’ and ‘anchor’ chambers turns condensin from a one-sided into a bidirectional DNA loop extruder. We conclude that the orientation of two topologically bound DNA segments during the course of the SMC reaction cycle determines the directionality of DNA loop extrusion.

ABSTRACT There has been tremendous progress in the production of phased genome assemblies by combining long-read data with parental information or linking read data. Nevertheless, a typical phased genome assembly generated by trio-hifiasm still generates more than ~140 gaps. We perform a detailed analysis of gaps, assembly breaks, and misorientations from 77 phased and assembled human genomes (154 unique haplotypes). We find that trio-based approaches using HiFi are the current gold standard although chromosome-wide phasing accuracy is comparable when using Strand-seq instead of parental data. We find two-thirds of defined contig ends cluster near the largest and most identical repeats [including segmental duplications (35.4%) or satellite DNA (22.3%) or to regions enriched in GA/AT rich DNA (27.4%)]. As a result, 1513 protein-coding genes overlap assembly gaps in at least one haplotype and 231 are recurrently disrupted or missing from five or more haplotypes. In addition, we estimate that 6-7 Mbp of DNA are incorrectly orientated per haplotype irrespective of whether trio-free or trio-based approaches are employed. 81% of such misorientations correspond to bona fide large inversion polymorphisms in the human species, most of which are flanked by large identical segmental duplications. In addition, we also identify large-scale alignment discontinuities consistent with an 11.9 Mbp deletion and 161.4 Mbp of insertion per human haploid genome. While 99% of this variation corresponds to satellite DNA, we identify 230 regions of the euchromatic DNA with frequent expansions and contractions, nearly half of which overlap with 197 protein-coding genes. Although not completely resolved, these regions include copy number polymorphic and biomedically relevant genic regions where complete resolution and a pangenome representation will be most useful, yet most challenging, to realize.

The functional impact and cellular context of mosaic structural variants (mSVs) in normal tissues is understudied. Utilizing Strand-seq, we sequenced 1,133 single-cell genomes from 19 human donors of increasing age, and discovered the heterogeneous mSV landscapes of hematopoietic stem and progenitor cells. While mSVs are continuously acquired throughout life, expanded subclones in our cohort are confined to individuals >60. Cells already harboring mSVs are more likely to acquire additional somatic structural variants, including megabase-scale segmental aneuploidies. Capitalizing on comprehensive single-cell micrococcal nuclease digestion with sequencing reference data, we conducted high-resolution cell-typing for eight hematopoietic stem and progenitor cells. Clonally expanded mSVs disrupt normal cellular function by dysregulating diverse cellular pathways, and enriching for myeloid progenitors. Our findings underscore the contribution of mSVs to the cellular and molecular phenotypes associated with the aging hematopoietic system, and establish a foundation for deciphering the molecular links between mSVs, aging and disease susceptibility in normal tissues.

Abstract The functional impact and cellular context of mosaic structural variants (mSVs) in normal tissues is understudied. Utilizing Strand-seq, we sequenced 1,133 single cell genomes from 19 human donors of increasing age, revealing a heterogeneous mSV landscape in hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). While mSV clonal expansions are confined to individuals over 60, de novo mSV formation occurs consistently across age, frequently leading to megabase-scale segmental aneuploidies. Cells harboring subclonal mosaicism show evidence for increased mSV formation. To enable high-resolution cell-typing of each Strand-seq library, we generated single-cell MNase-seq reference datasets for eight distinct HSPCs. Subclonal mSVs frequently exhibit enrichment in myeloid progenitors, and single-cell multiomic analysis suggests that these mSVs result in recurrent dysregulation of pathways related to proliferation and metabolism, including Ras signaling and lipid metabolism. The comprehensive mSV landscape identified in this study implicates mSVs in cell type-specific molecular phenotypes, establishing a foundation for deciphering links between mSVs, aging, and disease risk.