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.

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 Apes possess two sex chromosomes—the male-specific Y chromosome and the X chromosome, which is present in both males and females. The Y chromosome is crucial for male reproduction, with deletions being linked to infertility 1 . The X chromosome is vital for reproduction and cognition 2 . Variation in mating patterns and brain function among apes suggests corresponding differences in their sex chromosomes. However, owing to their repetitive nature and incomplete reference assemblies, ape sex chromosomes have been challenging to study. Here, using the methodology developed for the telomere-to-telomere (T2T) human genome, we produced gapless assemblies of the X and Y chromosomes for five great apes (bonobo ( Pan paniscus ), chimpanzee ( Pan troglodytes ), western lowland gorilla ( Gorilla gorilla gorilla ), Bornean orangutan ( Pongo pygmaeus ) and Sumatran orangutan ( Pongo abelii )) and a lesser ape (the siamang gibbon ( Symphalangus syndactylus )), and untangled the intricacies of their evolution. Compared with the X chromosomes, the ape Y chromosomes vary greatly in size and have low alignability and high levels of structural rearrangements—owing to the accumulation of lineage-specific ampliconic regions, palindromes, transposable elements and satellites. Many Y chromosome genes expand in multi-copy families and some evolve under purifying selection. Thus, the Y chromosome exhibits dynamic evolution, whereas the X chromosome is more stable. Mapping short-read sequencing data to these assemblies revealed diversity and selection patterns on sex chromosomes of more than 100 individual great apes. These reference assemblies are expected to inform human evolution and conservation genetics of non-human apes, all of which are endangered species.

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 Centromeres depend on chromatin containing the conserved histone H3 variant CENP-A for function and inheritance, while the role of centromeric DNA repeats remains unclear. Retroelements are prevalent at centromeres across taxa and represent a potential mechanism for promoting transcription to aid in CENP-A incorporation or for generating RNA transcripts to maintain centromere integrity. Here, we probe into the transcription and RNA localization of the centromere-enriched retroelement G2/Jockey-3 (hereafter referred to as Jockey-3 ) in Drosophila melanogaster , currently the only in vivo model with assembled centromeres. We find that Jockey-3 is a major component of the centromeric transcriptome and produces RNAs that localize to centromeres in metaphase. Leveraging the polymorphism of Jockey-3 and a de novo centromere system, we show that these RNAs remain associated with their cognate DNA sequences in cis , suggesting they are unlikely to perform a sequence-specific function at all centromeres. We show that Jockey-3 transcription is positively correlated with the presence of CENP-A, and that recent Jockey-3 transposition events have occurred preferentially at CENP-A-containing chromatin. We propose that Jockey-3 contributes to the epigenetic maintenance of centromeres by promoting chromatin transcription, while inserting preferentially within these regions, selfishly ensuring its continued expression and transmission. Given the conservation of retroelements as centromere components through evolution, our findings have broad implications in understanding this association in other species.

The human Y chromosome has been notoriously difficult to sequence and assemble because of its complex repeat structure including long palindromes, tandem repeats, and segmental duplications 1–3 . As a result, more than half of the Y chromosome is missing from the GRCh38 reference sequence and it remains the last human chromosome to be finished 4, 5 . Here, the Telomere-to-Telomere (T2T) consortium presents the complete 62,460,029 base pair sequence of a human Y chromosome from the HG002 genome (T2T-Y) that corrects multiple errors in GRCh38-Y and adds over 30 million base pairs of sequence to the reference, revealing the complete ampliconic structures of TSPY , DAZ , and RBMY gene families; 41 additional protein-coding genes, mostly from the TSPY family; and an alternating pattern of human satellite 1 and 3 blocks in the heterochromatic Yq12 region. We have combined T2T-Y with a prior assembly of the CHM13 genome 4 and mapped available population variation, clinical variants, and functional genomics data to produce a complete and comprehensive reference sequence for all 24 human chromosomes.

Apes possess two sex chromosomes—the male-specific Y and the X shared by males and females. The Y chromosome is crucial for male reproduction, with deletions linked to infertility. The X chromosome carries genes vital for reproduction and cognition. Variation in mating patterns and brain function among great apes suggests corresponding differences in their sex chromosome structure and evolution. However, due to their highly repetitive nature and incomplete reference assemblies, ape sex chromosomes have been challenging to study. Here, using the state-of-the-art experimental and computational methods developed for the telomere-to-telomere (T2T) human genome, we produced gapless, complete assemblies of the X and Y chromosomes for five great apes (chimpanzee, bonobo, gorilla, Bornean and Sumatran orangutans) and a lesser ape, the siamang gibbon. These assemblies completely resolved ampliconic, palindromic, and satellite sequences, including the entire centromeres, allowing us to untangle the intricacies of ape sex chromosome evolution. We found that, compared to the X, ape Y chromosomes vary greatly in size and have low alignability and high levels of structural rearrangements. This divergence on the Y arises from the accumulation of lineage-specific ampliconic regions and palindromes (which are shared more broadly among species on the X) and from the abundance of transposable elements and satellites (which have a lower representation on the X). Our analysis of Y chromosome genes revealed lineage-specific expansions of multi-copy gene families and signatures of purifying selection. In summary, the Y exhibits dynamic evolution, while the X is more stable. Finally, mapping short-read sequencing data from >100 great ape individuals revealed the patterns of diversity and selection on their sex chromosomes, demonstrating the utility of these reference assemblies for studies of great ape evolution. These complete sex chromosome assemblies are expected to further inform conservation genetics of nonhuman apes, all of which are endangered species.

Abstract The prevalence of highly repetitive sequences within the human Y chromosome has led to its incomplete assembly and systematic omission from genomic analyses. Here, we present long-read de novo assemblies of 43 diverse Y-chromosomes, three contiguously assembled including two from deep-rooted African Y lineages. Examination of the full extent of genetic variation between Y chromosomes across 180,000 years of human evolution reveals its remarkable complexity and diversity in size and structure, in contrast with its low level of base substitution variation. The size of the Y chromosome assemblies vary extensively from 45.2 to 84.9 Mbp, with individual repeat arrays showing up to 6.7-fold difference in length across samples. Half of the male-specific euchromatic region is subject to large (up to 5.94 Mbp) inversions with a >2-fold higher recurrence rate compared to the rest of the human genome. The Y centromere, composed of 171 bp α-satellite monomer units, appears to have evolved from tandem arrays of a 36-mer ancestral higher order repeat (HOR), which has been predominantly replaced by a 34-mer HOR, and reveals a pattern of higher sequence variation towards the short-arm side. The Yq12 heterochromatic region is ubiquitously flanked by approximately 649 kbp and 472 kbp inversions that maintain the alternating arrays of DYZ1 and DYZ2 repeat units in between. While the sizes and the distribution of the DYZ1 and DYZ2 arrays vary considerably, primarily due to local expansions and contractions, the copy number ratio between the DYZ1 and DYZ2 monomer repeat units remains consistently close to 1:1. In addition, we have identified on average 65 kbp of novel sequence per Y chromosome. The availability of sequence-resolved Y chromosomes from multiple samples provides a basis for identifying new associations of specific traits with the Y chromosome and garnering novel evolutionary insights.

Abstract In 2001, Celera Genomics and the International Human Genome Sequencing Consortium published their initial drafts of the human genome, which revolutionized the field of genomics. While these drafts and the updates that followed effectively covered the euchromatic fraction of the genome, the heterochromatin and many other complex regions were left unfinished or erroneous. Addressing this remaining 8% of the genome, the Telomere-to-Telomere (T2T) Consortium has finished the first truly complete 3.055 billion base pair (bp) sequence of a human genome, representing the largest improvement to the human reference genome since its initial release. The new T2T-CHM13 reference includes gapless assemblies for all 22 autosomes plus Chromosome X, corrects numerous errors, and introduces nearly 200 million bp of novel sequence containing 2,226 paralogous gene copies, 115 of which are predicted to be protein coding. The newly completed regions include all centromeric satellite arrays and the short arms of all five acrocentric chromosomes, unlocking these complex regions of the genome to variational and functional studies for the first time.