The Sequence Alignment/Map (SAM) format is a generic alignment format for storing read alignments against reference sequences, supporting short and long reads (up to 128 Mbp) produced by different sequencing platforms. It is flexible in style, compact in size, efficient in random access and is the format in which alignments from the 1000 Genomes Project are released. SAMtools implements various utilities for post-processing alignments in the SAM format, such as indexing, variant caller and alignment viewer, and thus provides universal tools for processing read alignments.http://samtools.sourceforge.net.

Human brains vary across people and over time; such variation is not yet understood in cellular terms. Here we describe a relationship between people's cortical neurons and cortical astrocytes. We used single-nucleus RNA sequencing to analyse the prefrontal cortex of 191 human donors aged 22-97 years, including healthy individuals and people with schizophrenia. Latent-factor analysis of these data revealed that, in people whose cortical neurons more strongly expressed genes encoding synaptic components, cortical astrocytes more strongly expressed distinct genes with synaptic functions and genes for synthesizing cholesterol, an astrocyte-supplied component of synaptic membranes. We call this relationship the synaptic neuron and astrocyte program (SNAP). In schizophrenia and ageing-two conditions that involve declines in cognitive flexibility and plasticity1,2-cells divested from SNAP: astrocytes, glutamatergic (excitatory) neurons and GABAergic (inhibitory) neurons all showed reduced SNAP expression to corresponding degrees. The distinct astrocytic and neuronal components of SNAP both involved genes in which genetic risk factors for schizophrenia were strongly concentrated. SNAP, which varies quantitatively even among healthy people of similar age, may underlie many aspects of normal human interindividual differences and may be an important point of convergence for multiple kinds of pathophysiology.

ABSTRACT There has not yet been a systematic analysis of hESC whole genomes at a single nucleotide resolution. We therefore performed whole genome sequencing (WGS) of 143 hESC lines and annotated their single nucleotide and structural genetic variants. We found that while a substantial fraction of hESC lines contained large deleterious structural variants, finer scale structural and single nucleotide variants (SNVs) that are ascertainable only through WGS analyses were present in hESCs genomes and human blood-derived genomes at similar frequencies. However, WGS did identify SNVs associated with cancer or other diseases that will likely alter cellular phenotypes and may compromise the safety of hESC-derived cellular products transplanted into humans. As a resource to enable reproducible hESC research and safer translation, we provide a user-friendly WGS data portal and a data-driven scheme for cell line maintenance and selection. GRAPHICAL ABSTRACT IN BRIEF Merkle and Ghosh et al. describe insights from the whole genome sequences of commonly used human embryonic stem cell (hESC) lines. Analyses of these sequences show that while hESC genomes had more large structural variants than humans do from genetic inheritance, hESCs did not have an observable excess of finer-scale variants. However, many hESC lines contained rare loss-of-function variants and combinations of common variants that may profoundly shape their biological phenotypes. Thus, genome sequencing data can be valuable to those selecting cell lines for a given biological or clinical application, and the sequences and analysis reported here should facilitate such choices. HIGHLIGHTS One third of hESCs we analysed are siblings, and almost all are of European ancestry Large structural variants are common in hESCs, but finer-scale variation is similar to that human populations Many strong-effect loss-of-function mutations and cancer-associated mutations are present in specific hESC lines We provide user-friendly resources for rational hESC line selection based on genome sequence

Structural variants (SVs) comprise the largest genetic variants, altering from 50 base pairs to megabases of DNA. However, SVs have not been effectively ascertained in most genetic association studies, leaving a key gap in our understanding of human complex trait genetics. We ascertained protein-altering SVs from UK Biobank whole-exome sequencing data (n=468,570) using haplotype-informed methods capable of detecting sub-exonic SVs and variation within segmental duplications. Incorporating SVs into analyses of rare variants predicted to cause gene loss-of-function (pLoF) identified 100 associations of pLoF variants with 41 quantitative traits. A low-frequency partial deletion of RGL3 exon 6 appeared to confer one of the strongest protective effects of gene LoF on hypertension risk (OR = 0.86 [0.82-0.90]). Protein-coding variation in rapidly-evolving gene families within segmental duplications-previously invisible to most analysis methods-appeared to generate some of the human genome's largest contributions to variation in type 2 diabetes risk, chronotype, and blood cell traits. These results illustrate the potential for new genetic insights from genomic variation that has escaped large-scale analysis to date.

Human brains vary across people and over time; such variation is not yet understood in cellular terms. Here we describe a striking relationship between people's cortical neurons and cortical astrocytes. We used single-nucleus RNA-seq to analyze the prefrontal cortex of 191 human donors ages 22-97 years, including healthy individuals and persons with schizophrenia. Latent-factor analysis of these data revealed that in persons whose cortical neurons more strongly expressed genes for synaptic components, cortical astrocytes more strongly expressed distinct genes with synaptic functions and genes for synthesizing cholesterol, an astrocyte-supplied component of synaptic membranes. We call this relationship the Synaptic Neuron-and-Astrocyte Program (SNAP). In schizophrenia and aging - two conditions that involve declines in cognitive flexibility and plasticity 1,2 - cells had divested from SNAP: astrocytes, glutamatergic (excitatory) neurons, and GABAergic (inhibitory) neurons all reduced SNAP expression to corresponding degrees. The distinct astrocytic and neuronal components of SNAP both involved genes in which genetic risk factors for schizophrenia were strongly concentrated. SNAP, which varies quantitatively even among healthy persons of similar age, may underlie many aspects of normal human interindividual differences and be an important point of convergence for multiple kinds of pathophysiology.

Abstract Huntington Disease (HD) is a fatal genetic disease in which most striatal projection neurons (SPNs) degenerate. The central biological question about HD pathogenesis has been how the disease-causing DNA repeat expansion (CAG n ) in the huntingtin ( HTT ) gene leads to neurodegeneration after decades of apparent latency. Inherited HTT alleles with a longer CAG repeat hasten disease onset; the length of this repeat also changes over time, generating somatic mosaicism, and genes that regulate DNA-repeat stability can influence HD age-at-onset. To understand the relationship between a cell’s CAG-repeat length and its biological state, we developed a single-cell method for measuring CAG-repeat length together with genome-wide RNA expression. We found that the HTT CAG repeat expands from 40-45 CAGs to 100-500+ CAGs in HD-vulnerable SPNs but not in other striatal cell types, with these long DNA-repeat expansions acquired at different times by individual SPNs. Surprisingly, somatic expansion from 40 to 150 CAGs had no apparent effect upon gene expression – but neurons with 150-500+ CAGs shared profound gene-expression changes. These expression changes involved hundreds of genes, escalated alongside further CAG-repeat expansion, eroded positive and then negative features of neuronal identity, and culminated in expression of senescence/apoptosis genes. Rates of striatal neuron loss across HD stages reflected the rates at which neurons entered this biologically distorted state. Our results suggest that HTT CAG repeats in striatal neurons undergo decades of biologically quiet expansion, then, as they asynchronously cross a high threshold, cause SPNs to degenerate quickly and asynchronously. We conclude that, at any moment in the course of HD, most neurons have an innocuous (but unstable) huntingtin gene, and that HD pathogenesis is a DNA process for almost all of a neuron’s life.

Genomic studies to date in autism spectrum disorder (ASD) have largely focused on newly arising mutations that disrupt protein coding sequence and strongly influence risk. We evaluate the contribution of noncoding regulatory variation across the size and frequency spectrum through whole genome sequencing of 519 ASD cases, their unaffected sibling controls, and parents. Cases carry a small excess of de novo (1.02-fold) noncoding variants, which is not significant after correcting for paternal age. Assessing 51,801 regulatory classes, no category is significantly associated with ASD after correction for multiple testing. The strongest signals are observed in coding regions, including structural variation not detected by previous technologies and missense variation. While rare noncoding variation likely contributes to risk in neurodevelopmental disorders, no category of variation has impact equivalent to loss-of-function mutations. Average effect sizes are likely to be smaller than that for coding variation, requiring substantially larger samples to quantify this risk.

The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project was established to characterize genetic effects on the transcriptome across human tissues, and to link these regulatory mechanisms to trait and disease associations. Here, we present analyses of the v8 data, based on 17,382 RNA-sequencing samples from 54 tissues of 948 post-mortem donors. We comprehensively characterize genetic associations for gene expression and splicing in cis and trans, showing that regulatory associations are found for almost all genes, and describe the underlying molecular mechanisms and their contribution to allelic heterogeneity and pleiotropy of complex traits. Leveraging the large diversity of tissues, we provide insights into the tissue-specificity of genetic effects, and show that cell type composition is a key factor in understanding gene regulatory mechanisms in human tissues.

Abstract DNA replication follows a strict spatiotemporal program that intersects with chromatin structure and gene regulation. However, the genetic basis of the mammalian DNA replication timing program is poorly understood 1–3 . To systematically identify genetic regulators of DNA replication timing, we exploited inter-individual variation in 457 human pluripotent stem cell lines from 349 individuals. We show that the human genome’s replication program is broadly encoded in DNA and identify 1,617 cis -acting replication timing quantitative trait loci (rtQTLs 4 ) – base-pair-resolution sequence determinants of replication initiation. rtQTLs function individually, or in combinations of proximal and distal regulators, to affect replication timing. Analysis of rtQTL locations reveals a histone code for replication initiation, composed of bivalent histone H3 trimethylation marks on a background of histone hyperacetylation. The H3 trimethylation marks are individually repressive yet synergize to promote early replication. We further identify novel positive and negative regulators of DNA replication timing, the former comprised of pluripotency-related transcription factors while the latter involve boundary elements. Human replication timing is controlled by a multi-layered mechanism that operates on target DNA sequences, is composed of dozens of effectors working combinatorially, and follows principles analogous to transcription regulation: a histone code, activators and repressors, and a promoter-enhancer logic.

Many common illnesses differentially affect men and women for unknown reasons. The autoimmune diseases lupus and Sjögren's syndrome affect nine times more women than men1,2, whereas schizophrenia affects men more frequently and severely3-5. All three illnesses have their strongest common-genetic associations in the Major Histocompatibility Complex (MHC) locus, an association that in lupus and Sjögren's syndrome has long been thought to arise from HLA alleles6-13. Here we show that the complement component 4 ( C4 ) genes in the MHC locus, recently found to increase risk for schizophrenia14, generate 7-fold variation in risk for lupus (95% CI: 5.88-8.61; p < 10-117 in total) and 16-fold variation in risk for Sjögren's syndrome (95% CI: 8.59-30.89; p < 10-23 in total), with C4A protecting more strongly than C4B in both illnesses. The same alleles that increase risk for schizophrenia, greatly reduced risk for lupus and Sjögren's syndrome. In all three illnesses, C4 alleles acted more strongly in men than in women: common combinations of C4A and C4B generated 14-fold variation in risk for lupus and 31-fold variation in risk for Sjögren's syndrome in men (vs. 6-fold and 15-fold among women respectively) and affected schizophrenia risk about twice as strongly in men as in women. At a protein level, both C4 and its effector (C3) were present at greater levels in men than women in cerebrospinal fluid ( p < 10-5 for both C4 and C3) and plasma among adults ages 20-5015-17, corresponding to the ages of differential disease vulnerability. Sex differences in complement protein levels may help explain the larger effects of C4 alleles in men, women's greater risk of SLE and Sjögren's, and men's greater vulnerability in schizophrenia. These results nominate the complement system as a source of sexual dimorphism in vulnerability to diverse illnesses.