Schizophrenia is a devastating neurodevelopmental disorder whose genetic influences remain elusive. We hypothesize that individually rare structural variants contribute to the illness. Microdeletions and microduplications >100 kilobases were identified by microarray comparative genomic hybridization of genomic DNA from 150 individuals with schizophrenia and 268 ancestry-matched controls. All variants were validated by high-resolution platforms. Novel deletions and duplications of genes were present in 5% of controls versus 15% of cases and 20% of young-onset cases, both highly significant differences. The association was independently replicated in patients with childhood-onset schizophrenia as compared with their parents. Mutations in cases disrupted genes disproportionately from signaling networks controlling neurodevelopment, including neuregulin and glutamate pathways. These results suggest that multiple, individually rare mutations altering genes in neurodevelopmental pathways contribute to schizophrenia.

Epilepsy is one of the most common neurological disorders in humans with a prevalence of 1% and a lifetime incidence of 3%. Several genes have been identified in rare autosomal dominant and severe sporadic forms of epilepsy, but the genetic cause is unknown in the vast majority of cases. Copy number variants (CNVs) are known to play an important role in the genetic etiology of many neurodevelopmental disorders, including intellectual disability (ID), autism, and schizophrenia. Genome-wide studies of copy number variation in epilepsy have not been performed. We have applied whole-genome oligonucleotide array comparative genomic hybridization to a cohort of 517 individuals with various idiopathic, non-lesional epilepsies. We detected one or more rare genic CNVs in 8.9% of affected individuals that are not present in 2,493 controls; five individuals had two rare CNVs. We identified CNVs in genes previously implicated in other neurodevelopmental disorders, including two deletions in AUTS2 and one deletion in CNTNAP2. Therefore, our findings indicate that rare CNVs are likely to contribute to a broad range of generalized and focal epilepsies. In addition, we find that 2.9% of patients carry deletions at 15q11.2, 15q13.3, or 16p13.11, genomic hotspots previously associated with ID, autism, or schizophrenia. In summary, our findings suggest common etiological factors for seemingly diverse diseases such as ID, autism, schizophrenia, and epilepsy.

Idiopathic generalized epilepsies account for 30% of all epilepsies. Despite a predominant genetic aetiology, the genetic factors predisposing to idiopathic generalized epilepsies remain elusive. Studies of structural genomic variations have revealed a significant excess of recurrent microdeletions at 1q21.1, 15q11.2, 15q13.3, 16p11.2, 16p13.11 and 22q11.2 in various neuropsychiatric disorders including autism, intellectual disability and schizophrenia. Microdeletions at 15q13.3 have recently been shown to constitute a strong genetic risk factor for common idiopathic generalized epilepsy syndromes, implicating that other recurrent microdeletions may also be involved in epileptogenesis. This study aimed to investigate the impact of five microdeletions at the genomic hotspot regions 1q21.1, 15q11.2, 16p11.2, 16p13.11 and 22q11.2 on the genetic risk to common idiopathic generalized epilepsy syndromes. The candidate microdeletions were assessed by high-density single nucleotide polymorphism arrays in 1234 patients with idiopathic generalized epilepsy from North-western Europe and 3022 controls from the German population. Microdeletions were validated by quantitative polymerase chain reaction and their breakpoints refined by array comparative genomic hybridization. In total, 22 patients with idiopathic generalized epilepsy (1.8%) carried one of the five novel microdeletions compared with nine controls (0.3%) (odds ratio = 6.1; 95% confidence interval 2.8–13.2; χ2 = 26.7; 1 degree of freedom; P = 2.4 × 10−7). Microdeletions were observed at 1q21.1 [Idiopathic generalized epilepsy (IGE)/control: 1/1], 15q11.2 (IGE/control: 12/6), 16p11.2 IGE/control: 1/0, 16p13.11 (IGE/control: 6/2) and 22q11.2 (IGE/control: 2/0). Significant associations with IGEs were found for the microdeletions at 15q11.2 (odds ratio = 4.9; 95% confidence interval 1.8–13.2; P = 4.2 × 10−4) and 16p13.11 (odds ratio = 7.4; 95% confidence interval 1.3–74.7; P = 0.009). Including nine patients with idiopathic generalized epilepsy in this cohort with known 15q13.3 microdeletions (IGE/control: 9/0), parental transmission could be examined in 14 families. While 10 microdeletions were inherited (seven maternal and three paternal transmissions), four microdeletions occurred de novo at 15q13.3 (n = 1), 16p13.11 (n = 2) and 22q11.2 (n = 1). Eight of the transmitting parents were clinically unaffected, suggesting that the microdeletion itself is not sufficient to cause the epilepsy phenotype. Although the microdeletions investigated are individually rare (<1%) in patients with idiopathic generalized epilepsy, they collectively seem to account for a significant fraction of the genetic variance in common idiopathic generalized epilepsy syndromes. The present results indicate an involvement of microdeletions at 15q11.2 and 16p13.11 in epileptogenesis and strengthen the evidence that recurrent microdeletions at 15q11.2, 15q13.3 and 16p13.11 confer a pleiotropic susceptibility effect to a broad range of neuropsychiatric disorders.

Abstract Here the Human Pangenome Reference Consortium presents a first draft of the human pangenome reference. The pangenome contains 47 phased, diploid assemblies from a cohort of genetically diverse individuals 1 . These assemblies cover more than 99% of the expected sequence in each genome and are more than 99% accurate at the structural and base pair levels. Based on alignments of the assemblies, we generate a draft pangenome that captures known variants and haplotypes and reveals new alleles at structurally complex loci. We also add 119 million base pairs of euchromatic polymorphic sequences and 1,115 gene duplications relative to the existing reference GRCh38. Roughly 90 million of the additional base pairs are derived from structural variation. Using our draft pangenome to analyse short-read data reduced small variant discovery errors by 34% and increased the number of structural variants detected per haplotype by 104% compared with GRCh38-based workflows, which enabled the typing of the vast majority of structural variant alleles per sample.

Improving on the gorilla genome Access to complete, high-quality genomes of nonhuman primates will also help us understand human biology. Gordon et al. used long-read sequencing technology to improve genome data on our close relative the gorilla. Sequencing from a single individual decreased assembly fragmentation and recovered previously missed genes and noncoding loci. Mapping short-read sequences from additional gorillas helped reconstruct a “pan” gorilla sequence documenting genetic variation. Comparison with human genomes revealed species-specific differences ranging in size from one to thousands of bases in length, including some that are likely to affect gene regulation. Science , this issue p. 10.1126/science.aae0344

Gibbons are small arboreal apes that display an accelerated rate of evolutionary chromosomal rearrangement and occupy a key node in the primate phylogeny between Old World monkeys and great apes. Here we present the assembly and analysis of a northern white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys) genome. We describe the propensity for a gibbon-specific retrotransposon (LAVA) to insert into chromosome segregation genes and alter transcription by providing a premature termination site, suggesting a possible molecular mechanism for the genome plasticity of the gibbon lineage. We further show that the gibbon genera (Nomascus, Hylobates, Hoolock and Symphalangus) experienced a near-instantaneous radiation ∼5 million years ago, coincident with major geographical changes in southeast Asia that caused cycles of habitat compression and expansion. Finally, we identify signatures of positive selection in genes important for forelimb development (TBX5) and connective tissues (COL1A1) that may have been involved in the adaptation of gibbons to their arboreal habitat. The genome of the gibbon, a tree-dwelling ape from Asia positioned between Old World monkeys and the great apes, is presented, providing insights into the evolutionary history of gibbon species and their accelerated karyotypes, as well as evidence for selection of genes such as those for forelimb development and connective tissue that may be important for locomotion through trees. The many species of gibbons are small, tree-living apes from Southeast Asia, most of them listed as 'endangered' or 'critically endangered' on the IUCN list. In their presentation of the genome of the northern white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys) , Lucia Carbone and colleagues provide intriguing insights into the biology and evolutionary history of a group that straddles the divide between Old World monkeys and the great apes. The authors investigate how a novel gibbon-specific retrotransposon might be the source of gibbons' genome plasticity. Rapid karyotype evolution combined with multiple episodes of climate and environmental change might explain the almost instantaneous divergence of the four gibbon genera. Positive selection on genes involved in forelimb development and connective tissue might have been related to gibbons' unique mode of locomotion in the tropical canopy.

A spotlight on great ape genomes Most nonhuman primate genomes generated to date have been “humanized” owing to their many gaps and the reliance on guidance by the reference human genome. To remove this humanizing effect, Kronenberg et al. generated and assembled long-read genomes of a chimpanzee, an orangutan, and two humans and compared them with a previously generated gorilla genome. This analysis recognized genomic structural variation specific to humans and particular ape lineages. Comparisons between human and chimpanzee cerebral organoids showed down-regulation of the expression of specific genes in humans, relative to chimpanzees, related to noncoding variation identified in this analysis. Science , this issue p. eaar6343

While numerous studies have implicated copy number variants (CNVs) in a range of neurological phenotypes, the impact relative to disease severity has been difficult to ascertain due to small sample sizes, lack of phenotypic details, and heterogeneity in platforms used for discovery. Using a customized microarray enriched for genomic hotspots, we assayed for large CNVs among 1,227 individuals with various neurological deficits including dyslexia (376), sporadic autism (350), and intellectual disability (ID) (501), as well as 337 controls. We show that the frequency of large CNVs (>1 Mbp) is significantly greater for ID-associated phenotypes compared to autism (p = 9.58 × 10(-11), odds ratio = 4.59), dyslexia (p = 3.81 × 10(-18), odds ratio = 14.45), or controls (p = 2.75 × 10(-17), odds ratio = 13.71). There is a striking difference in the frequency of rare CNVs (>50 kbp) in autism (10%, p = 2.4 × 10(-6), odds ratio = 6) or ID (16%, p = 3.55 × 10(-12), odds ratio = 10) compared to dyslexia (2%) with essentially no difference in large CNV burden among dyslexia patients compared to controls. Rare CNVs were more likely to arise de novo (64%) in ID when compared to autism (40%) or dyslexia (0%). We observed a significantly increased large CNV burden in individuals with ID and multiple congenital anomalies (MCA) compared to ID alone (p = 0.001, odds ratio = 2.54). Our data suggest that large CNV burden positively correlates with the severity of childhood disability: ID with MCA being most severely affected and dyslexics being indistinguishable from controls. When autism without ID was considered separately, the increase in CNV burden was modest compared to controls (p = 0.07, odds ratio = 2.33).

Duplications and deletions in the human genome Duplications and deletions can lead to variation in copy number for genes and genomic loci among humans. Such variants can reveal evolutionary patterns and have implications for human health. Sudmant et al. examined copy-number variation across 236 individual genomes from 125 human populations. Deletions were under more selection, whereas duplications showed more population-specific structure. Interestingly, Oceanic populations retain large duplications postulated to have originated in an ancient Denisovan lineage. Science , this issue 10.1126/science.aab3761