Digital PCR enables the absolute quantitation of nucleic acids in a sample. The lack of scalable and practical technologies for digital PCR implementation has hampered the widespread adoption of this inherently powerful technique. Here we describe a high-throughput droplet digital PCR (ddPCR) system that enables processing of ∼2 million PCR reactions using conventional TaqMan assays with a 96-well plate workflow. Three applications demonstrate that the massive partitioning afforded by our ddPCR system provides orders of magnitude more precision and sensitivity than real-time PCR. First, we show the accurate measurement of germline copy number variation. Second, for rare alleles, we show sensitive detection of mutant DNA in a 100 000-fold excess of wildtype background. Third, we demonstrate absolute quantitation of circulating fetal and maternal DNA from cell-free plasma. We anticipate this ddPCR system will allow researchers to explore complex genetic landscapes, discover and validate new disease associations, and define a new era of molecular diagnostics.

A striking feature of the human genome is the dearth of CpG dinucleotides (CpGs) interrupted occasionally by CpG islands (CGIs), regions with relatively high content of the dinucleotide. CGIs are generally associated with promoters; genes, whose promoters are especially rich in CpG sequences, tend to be expressed in most tissues. However, all working definitions of what constitutes a CGI rely on ad hoc thresholds. Here we adopt a direct and comprehensive survey to identify the locations of all CpGs in the human genome and find that promoters segregate naturally into two classes by CpG content. Seventy-two percent of promoters belong to the class with high CpG content (HCG), and 28% are in the class whose CpG content is characteristic of the overall genome (low CpG content). The enrichment of CpGs in the HCG class is symmetric and peaks around the core promoter. The broad-based expression of the HCG promoters is not a consequence of a correlation with CpG content because within the HCG class the breadth of expression is independent of the CpG content. The overall depletion of CpGs throughout the genome is thought to be a consequence of the methylation of some germ-line CpGs and their susceptibility to mutation. A comparison of the frequencies of inferred deamination mutations at CpG and GpC dinucleotides in the two classes of promoters using SNPs in human-chimpanzee sequence alignments shows that CpGs mutate at a lower frequency in the HCG promoters, suggesting that CpGs in the HCG class are hypomethylated in the germ line.

A microfluidics approach that links short sequence reads enables haplotype construction and complex variation identification from tiny amounts of input DNA. Haplotyping of human chromosomes is a prerequisite for cataloguing the full repertoire of genetic variation. We present a microfluidics-based, linked-read sequencing technology that can phase and haplotype germline and cancer genomes using nanograms of input DNA. This high-throughput platform prepares barcoded libraries for short-read sequencing and computationally reconstructs long-range haplotype and structural variant information. We generate haplotype blocks in a nuclear trio that are concordant with expected inheritance patterns and phase a set of structural variants. We also resolve the structure of the EML4-ALK gene fusion in the NCI-H2228 cancer cell line using phased exome sequencing. Finally, we assign genetic aberrations to specific megabase-scale haplotypes generated from whole-genome sequencing of a primary colorectal adenocarcinoma. This approach resolves haplotype information using up to 100 times less genomic DNA than some methods and enables the accurate detection of structural variants.

Despite the recent rapid growth in genome-wide data, much of human variation remains entirely unexplained. A significant challenge in the pursuit of the genetic basis for variation in common human traits is the efficient, coordinated collection of genotype and phenotype data. We have developed a novel research framework that facilitates the parallel study of a wide assortment of traits within a single cohort. The approach takes advantage of the interactivity of the Web both to gather data and to present genetic information to research participants, while taking care to correct for the population structure inherent to this study design. Here we report initial results from a participant-driven study of 22 traits. Replications of associations (in the genes OCA2, HERC2, SLC45A2, SLC24A4, IRF4, TYR, TYRP1, ASIP, and MC1R) for hair color, eye color, and freckling validate the Web-based, self-reporting paradigm. The identification of novel associations for hair morphology (rs17646946, near TCHH; rs7349332, near WNT10A; and rs1556547, near OFCC1), freckling (rs2153271, in BNC2), the ability to smell the methanethiol produced after eating asparagus (rs4481887, near OR2M7), and photic sneeze reflex (rs10427255, near ZEB2, and rs11856995, near NR2F2) illustrates the power of the approach.

Although a few hundred single nucleotide polymorphisms (SNPs) suffice to infer close familial relationships, high density genome-wide SNP data make possible the inference of more distant relationships such as 2(nd) to 9(th) cousinships. In order to characterize the relationship between genetic similarity and degree of kinship given a timeframe of 100-300 years, we analyzed the sharing of DNA inferred to be identical by descent (IBD) in a subset of individuals from the 23andMe customer database (n = 22,757) and from the Human Genome Diversity Panel (HGDP-CEPH, n = 952). With data from 121 populations, we show that the average amount of DNA shared IBD in most ethnolinguistically-defined populations, for example Native American groups, Finns and Ashkenazi Jews, differs from continentally-defined populations by several orders of magnitude. Via extensive pedigree-based simulations, we determined bounds for predicted degrees of relationship given the amount of genomic IBD sharing in both endogamous and 'unrelated' population samples. Using these bounds as a guide, we detected tens of thousands of 2(nd) to 9(th) degree cousin pairs within a heterogenous set of 5,000 Europeans. The ubiquity of distant relatives, detected via IBD segments, in both ethnolinguistic populations and in large 'unrelated' populations samples has important implications for genetic genealogy, forensics and genotype/phenotype mapping studies.