The human genome holds an extraordinary trove of information about human development, physiology, medicine and evolution. Here we report the results of an international collaboration to produce and make freely available a draft sequence of the human genome. We also present an initial analysis of the data, describing some of the insights that can be gleaned from the sequence.

The sequence of the mouse genome is a key informational tool for understanding the contents of the human genome and a key experimental tool for biomedical research. Here, we report the results of an international collaboration to produce a high-quality draft sequence of the mouse genome. We also present an initial comparative analysis of the mouse and human genomes, describing some of the insights that can be gleaned from the two sequences. We discuss topics including the analysis of the evolutionary forces shaping the size, structure and sequence of the genomes; the conservation of large-scale synteny across most of the genomes; the much lower extent of sequence orthology covering less than half of the genomes; the proportions of the genomes under selection; the number of protein-coding genes; the expansion of gene families related to reproduction and immunity; the evolution of proteins; and the identification of intraspecies polymorphism.

The goal of the International HapMap Project is to determine the common patterns of DNA sequence variation in the human genome and to make this information freely available in the public domain. An international consortium is developing a map of these patterns across the genome by determining the genotypes of one million or more sequence variants, their frequencies and the degree of association between them, in DNA samples from populations with ancestry from parts of Africa, Asia and Europe. The HapMap will allow the discovery of sequence variants that affect common disease, will facilitate development of diagnostic tools, and will enhance our ability to choose targets for therapeutic intervention.

Neandertals, the closest evolutionary relatives of present-day humans, lived in large parts of Europe and western Asia before disappearing 30,000 years ago. We present a draft sequence of the Neandertal genome composed of more than 4 billion nucleotides from three individuals. Comparisons of the Neandertal genome to the genomes of five present-day humans from different parts of the world identify a number of genomic regions that may have been affected by positive selection in ancestral modern humans, including genes involved in metabolism and in cognitive and skeletal development. We show that Neandertals shared more genetic variants with present-day humans in Eurasia than with present-day humans in sub-Saharan Africa, suggesting that gene flow from Neandertals into the ancestors of non-Africans occurred before the divergence of Eurasian groups from each other.

We describe a map of 1.42 million single nucleotide polymorphisms (SNPs) distributed throughout the human genome, providing an average density on available sequence of one SNP every 1.9 kilobases. These SNPs were primarily discovered by two projects: The SNP Consortium and the analysis of clone overlaps by the International Human Genome Sequencing Consortium. The map integrates all publicly available SNPs with described genes and other genomic features. We estimate that 60,000 SNPs fall within exon (coding and untranslated regions), and 85% of exons are within 5 kb of the nearest SNP. Nucleotide diversity varies greatly across the genome, in a manner broadly consistent with a standard population genetic model of human history. This high-density SNP map provides a public resource for defining haplotype variation across the genome, and should help to identify biomedically important genes for diagnosis and therapy.

We present a high-quality genome sequence of a Neanderthal woman from Siberia. We show that her parents were related at the level of half-siblings and that mating among close relatives was common among her recent ancestors. We also sequenced the genome of a Neanderthal from the Caucasus to low coverage. An analysis of the relationships and population history of available archaic genomes and 25 present-day human genomes shows that several gene flow events occurred among Neanderthals, Denisovans and early modern humans, possibly including gene flow into Denisovans from an unknown archaic group. Thus, interbreeding, albeit of low magnitude, occurred among many hominin groups in the Late Pleistocene. In addition, the high-quality Neanderthal genome allows us to establish a definitive list of substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans. A complete genome sequence is presented of a female Neanderthal from Siberia, providing information about interbreeding between close relatives and uncovering gene flow events among Neanderthals, Denisovans and early modern humans, as well as establishing substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans. Recent excavations in the Denisova Cave in the Altai Mountains of southern Siberia have yielded a wealth of hominin fossils from a site that has been occupied for perhaps 250,000 years or more. Now a high-quality genome sequence has been determined from a circa 50,000-year-old toe bone — a proximal toe phalanx — excavated from the east gallery of Denisova Cave in 2010. The sequence is that of a Neanderthal woman whose parents were closely related — perhaps half-siblings or uncle and niece. Such inbreeding was also common among her recent ancestors. Comparisons with other archaic and present-day human genomes reveal several gene-flow events among Neanderthals, the closely related Denisovans and early modern humans, possibly including gene flow into Denisovans from an unknown archaic group. The high-quality Neanderthal genome also helps to establish a definitive list of substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans.

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.

Genetic variation among individual humans occurs on many different scales, ranging from gross alterations in the human karyotype to single nucleotide changes. Here we explore variation on an intermediate scale—particularly insertions, deletions and inversions affecting from a few thousand to a few million base pairs. We employed a clone-based method to interrogate this intermediate structural variation in eight individuals of diverse geographic ancestry. Our analysis provides a comprehensive overview of the normal pattern of structural variation present in these genomes, refining the location of 1,695 structural variants. We find that 50% were seen in more than one individual and that nearly half lay outside regions of the genome previously described as structurally variant. We discover 525 new insertion sequences that are not present in the human reference genome and show that many of these are variable in copy number between individuals. Complete sequencing of 261 structural variants reveals considerable locus complexity and provides insights into the different mutational processes that have shaped the human genome. These data provide the first high-resolution sequence map of human structural variation—a standard for genotyping platforms and a prelude to future individual genome sequencing projects. Clone-based sequencing of the genomes of eight unrelated individuals — four African and four non-African — has been used to build a picture of human genetic variation. The study concentrated on intermediate-scale variations a few thousand to a few million base pairs long. The results confirm the finding that African genomes are more diverse than other groups, and suggest that previous estimates of the incidence of 'copy-number variant' base pairs have been too high. The data suggest that, despite recent evidence to the contrary, non-allelic homologous recombination is the dominant process in promoting structural variation in the genome. Studies of this type provide benchmarks for the many genome sequences that will be generated by next-generation technologies. This paper examines eight individual genomes using a clone-based sequencing approach, for structural variants of 8,000 nucleotides or more. One of the first high-quality inversion maps for the human genome is generated, and it is demonstrated that previous estimates of variation of this sort have been too high.

We describe an algorithm, SSAHA (Sequence Search and Alignment by Hashing Algorithm), for performing fast searches on databases containing multiple gigabases of DNA. Sequences in the database are preprocessed by breaking them into consecutive k-tuples of k contiguous bases and then using a hash table to store the position of each occurrence of each k-tuple. Searching for a query sequence in the database is done by obtaining from the hash table the "hits" for each k-tuple in the query sequence and then performing a sort on the results. We discuss the effect of the tuple length k on the search speed, memory usage, and sensitivity of the algorithm and present the results of computational experiments which show that SSAHA can be three to four orders of magnitude faster than BLAST or FASTA, while requiring less memory than suffix tree methods. The SSAHA algorithm is used for high-throughput single nucleotide polymorphism (SNP) detection and very large scale sequence assembly. Also, it provides Web-based sequence search facilities for Ensembl projects.

The soil nematodes Caenorhabditis briggsae and Caenorhabditis elegans diverged from a common ancestor roughly 100 million years ago and yet are almost indistinguishable by eye. They have the same chromosome number and genome sizes, and they occupy the same ecological niche. To explore the basis for this striking conservation of structure and function, we have sequenced the C. briggsae genome to a high-quality draft stage and compared it to the finished C. elegans sequence. We predict approximately 19,500 protein-coding genes in the C. briggsae genome, roughly the same as in C. elegans. Of these, 12,200 have clear C. elegans orthologs, a further 6,500 have one or more clearly detectable C. elegans homologs, and approximately 800 C. briggsae genes have no detectable matches in C. elegans. Almost all of the noncoding RNAs (ncRNAs) known are shared between the two species. The two genomes exhibit extensive colinearity, and the rate of divergence appears to be higher in the chromosomal arms than in the centers. Operons, a distinctive feature of C. elegans, are highly conserved in C. briggsae, with the arrangement of genes being preserved in 96% of cases. The difference in size between the C. briggsae (estimated at approximately 104 Mbp) and C. elegans (100.3 Mbp) genomes is almost entirely due to repetitive sequence, which accounts for 22.4% of the C. briggsae genome in contrast to 16.5% of the C. elegans genome. Few, if any, repeat families are shared, suggesting that most were acquired after the two species diverged or are undergoing rapid evolution. Coclustering the C. elegans and C. briggsae proteins reveals 2,169 protein families of two or more members. Most of these are shared between the two species, but some appear to be expanding or contracting, and there seem to be as many as several hundred novel C. briggsae gene families. The C. briggsae draft sequence will greatly improve the annotation of the C. elegans genome. Based on similarity to C. briggsae, we found strong evidence for 1,300 new C. elegans genes. In addition, comparisons of the two genomes will help to understand the evolutionary forces that mold nematode genomes.