Since its initial release in 2000, the human reference genome has covered only the euchromatic fraction of the genome, leaving important heterochromatic regions unfinished. Addressing the remaining 8% of the genome, the Telomere-to-Telomere (T2T) Consortium presents a complete 3.055 billion–base pair sequence of a human genome, T2T-CHM13, that includes gapless assemblies for all chromosomes except Y, corrects errors in the prior references, and introduces nearly 200 million base pairs of sequence containing 1956 gene predictions, 99 of which are predicted to be protein coding. The completed regions include all centromeric satellite arrays, recent segmental duplications, and the short arms of all five acrocentric chromosomes, unlocking these complex regions of the genome to variational and functional studies.

After two decades of improvements, the current human reference genome (GRCh38) is the most accurate and complete vertebrate genome ever produced. However, no single chromosome has been finished end to end, and hundreds of unresolved gaps persist1,2. Here we present a human genome assembly that surpasses the continuity of GRCh382, along with a gapless, telomere-to-telomere assembly of a human chromosome. This was enabled by high-coverage, ultra-long-read nanopore sequencing of the complete hydatidiform mole CHM13 genome, combined with complementary technologies for quality improvement and validation. Focusing our efforts on the human X chromosome3, we reconstructed the centromeric satellite DNA array (approximately 3.1 Mb) and closed the 29 remaining gaps in the current reference, including new sequences from the human pseudoautosomal regions and from cancer-testis ampliconic gene families (CT-X and GAGE). These sequences will be integrated into future human reference genome releases. In addition, the complete chromosome X, combined with the ultra-long nanopore data, allowed us to map methylation patterns across complex tandem repeats and satellite arrays. Our results demonstrate that finishing the entire human genome is now within reach, and the data presented here will facilitate ongoing efforts to complete the other human chromosomes.

Existing human genome assemblies have almost entirely excluded repetitive sequences within and near centromeres, limiting our understanding of their organization, evolution, and functions, which include facilitating proper chromosome segregation. Now, a complete, telomere-to-telomere human genome assembly (T2T-CHM13) has enabled us to comprehensively characterize pericentromeric and centromeric repeats, which constitute 6.2% of the genome (189.9 megabases). Detailed maps of these regions revealed multimegabase structural rearrangements, including in active centromeric repeat arrays. Analysis of centromere-associated sequences uncovered a strong relationship between the position of the centromere and the evolution of the surrounding DNA through layered repeat expansions. Furthermore, comparisons of chromosome X centromeres across a diverse panel of individuals illuminated high degrees of structural, epigenetic, and sequence variation in these complex and rapidly evolving regions.

ABSTRACT Despite their importance in disease and evolution, highly identical segmental duplications (SDs) have been among the last regions of the human reference genome (GRCh38) to be finished. Based on a complete telomere-to-telomere human genome (T2T-CHM13), we present the first comprehensive view of human SD organization. SDs account for nearly one-third of the additional sequence increasing the genome-wide estimate from 5.4% to 7.0% (218 Mbp). An analysis of 266 human genomes shows that 91% of the new T2T-CHM13 SD sequence (68.3 Mbp) better represents human copy number. We find that SDs show increased single-nucleotide variation diversity when compared to unique regions; we characterize methylation signatures that correlate with duplicate gene transcription and predict 182 novel protein-coding gene candidates. We find that 63% (35.11/55.7 Mbp) of acrocentric chromosomes consist of SDs distinct from rDNA and satellite sequences. Acrocentric SDs are 1.75-fold longer (p=0.00034) than other SDs, are frequently shared with autosomal pericentromeric regions, and are heteromorphic among human chromosomes. Comparing long-read assemblies from other human (n=12) and nonhuman primate (n=5) genomes, we use the T2T-CHM13 genome to systematically reconstruct the evolution and structural haplotype diversity of biomedically relevant ( LPA, SMN ) and duplicated genes ( TBC1D3, SRGAP2C, ARHGAP11B ) important in the expansion of the human frontal cortex. The analysis reveals unprecedented patterns of structural heterozygosity and massive evolutionary differences in SD organization between humans and their closest living relatives.

ABSTRACT The completion of the first telomere-to-telomere human genome, T2T-CHM13, enables exploration of the full epigenome, removing limitations previously imposed by the missing reference sequence. Existing epigenetic studies omit unassembled and unmappable genomic regions (e.g . centromeres, pericentromeres, acrocentric chromosome arms, subtelomeres, segmental duplications, tandem repeats). Leveraging the new assembly, we were able to measure enrichment of epigenetic marks with short reads using k-mer assisted mapping methods. This granted array-level enrichment information to characterize the epigenetic regulation of these satellite repeats. Using nanopore sequencing data, we generated base level maps of the most complete human methylome ever produced. We examined methylation patterns in satellite DNA and revealed organized patterns of methylation along individual molecules. When exploring the centromeric epigenome, we discovered a distinctive dip in centromere methylation consistent with active sites of kinetochore assembly. Through long-read chromatin accessibility measurements (nanoNOMe) paired to CUT&RUN data, we found the hypomethylated region was extremely inaccessible and paired to CENP-A/B binding. With long-reads we interrogated allele-specific, longrange epigenetic patterns in complex macro-satellite arrays such as those involved in X chromosome inactivation. Using the single molecule measurements we can clustered reads based on methylation status alone distinguishing epigenetically heterogeneous and homogeneous areas. The analysis provides a framework to investigate the most elusive regions of the human genome, applying both long and short-read technology to grant new insights into epigenetic regulation.

Abstract Existing human genome assemblies have almost entirely excluded highly repetitive sequences within and near centromeres, limiting our understanding of their sequence, evolution, and essential role in chromosome segregation. Here, we present an extensive study of newly assembled peri/centromeric sequences representing 6.2% (189.9 Mb) of the first complete, telomere-to-telomere human genome assembly (T2T-CHM13). We discovered novel patterns of peri/centromeric repeat organization, variation, and evolution at both large and small length scales. We also found that inner kinetochore proteins tend to overlap the most recently duplicated subregions within centromeres. Finally, we compared chromosome X centromeres across a diverse panel of individuals and uncovered structural, epigenetic, and sequence variation at single-base resolution across these regions. In total, this work provides an unprecedented atlas of human centromeres to guide future studies of their complex and critical functions as well as their unique evolutionary dynamics. One-sentence summary Deep characterization of fully assembled human centromeres reveals their architecture and fine-scale organization, variation, and evolution.

Abstract Mobile elements and highly repetitive genomic regions are potent sources of lineage-specific genomic innovation and fingerprint individual genomes. Comprehensive analyses of large, composite or arrayed repeat elements and those found in more complex regions of the genome require a complete, linear genome assembly. Here we present the first de novo repeat discovery and annotation of a complete human reference genome, T2T-CHM13v1.0. We identified novel satellite arrays, expanded the catalog of variants and families for known repeats and mobile elements, characterized new classes of complex, composite repeats, and provided comprehensive annotations of retroelement transduction events. Utilizing PRO-seq to detect nascent transcription and nanopore sequencing to delineate CpG methylation profiles, we defined the structure of transcriptionally active retroelements in humans, including for the first time those found in centromeres. Together, these data provide expanded insight into the diversity, distribution and evolution of repetitive regions that have shaped the human genome.

ABSTRACT We developed a method to tag telomeres and measure telomere length by nanopore sequencing in the yeast S. cerevisiae. Nanopore allows long read sequencing through the telomere, subtelomere and into unique chromosomal sequence, enabling assignment of telomere length to a specific chromosome end. We observed chromosome end specific telomere lengths that were stable over 120 cell divisions. These stable chromosome specific telomere lengths may be explained by stochastic clonal variation or may represent a new biological mechanism that maintains equilibrium unique to each chromosomes end. We examined the role of RIF1 and TEL1 in telomere length regulation and found that TEL1 is epistatic to RIF1 at most telomeres, consistent with the literature. However, at telomeres that lack subtelomeric Y’ sequences, tel1Δ rif1Δ double mutants had a very small, but significant, increase in telomere length compared to the tel1Δ single mutant, suggesting an influence of Y’ elements on telomere length regulation. We sequenced telomeres in a telomerase-null mutant ( est2Δ ) and found the minimal telomere length to be around 75bp. In these est2Δ mutants there were many apparent telomere recombination events at individual telomeres before the generation of survivors, and these events were significantly reduced in est2Δ rad52Δ double mutants. The rate of telomere shortening in the absence of telomerase was similar across all chromosome ends at about 5 bp per generation. This new method gives quantitative, high resolution telomere length measurement at each individual chromosome end, suggests possible new biological mechanisms regulating telomere length, and provides capability to test new hypotheses.

Abstract Lung cancer screening via annual low-dose computed tomography (LDCT) has poor adoption. We conducted a prospective case-control study among 958 individuals eligible for lung cancer screening to develop a blood-based lung cancer detection test that when positive is followed by an LDCT. Changes in genome-wide cell-free DNA (cfDNA) fragmentation profiles (fragmentomes) in peripheral blood reflected genomic and chromatin characteristics of lung cancer. We applied machine learning to fragmentome features to identify individuals who were more or less likely to have lung cancer. We trained the classifier using 576 cases and controls from study samples, and then validated it in a held-out group of 382 cases and controls. The validation demonstrated high sensitivity for lung cancer, and consistency across demographic groups and comorbid conditions. Applying test performance to the screening eligible population in a five-year model with modest utilization assumptions suggested the potential to prevent thousands of lung cancer deaths.