A 2.91-billion base pair (bp) consensus sequence of the euchromatic portion of the human genome was generated by the whole-genome shotgun sequencing method. The 14.8-billion bp DNA sequence was generated over 9 months from 27,271,853 high-quality sequence reads (5.11-fold coverage of the genome) from both ends of plasmid clones made from the DNA of five individuals. Two assembly strategies—a whole-genome assembly and a regional chromosome assembly—were used, each combining sequence data from Celera and the publicly funded genome effort. The public data were shredded into 550-bp segments to create a 2.9-fold coverage of those genome regions that had been sequenced, without including biases inherent in the cloning and assembly procedure used by the publicly funded group. This brought the effective coverage in the assemblies to eightfold, reducing the number and size of gaps in the final assembly over what would be obtained with 5.11-fold coverage. The two assembly strategies yielded very similar results that largely agree with independent mapping data. The assemblies effectively cover the euchromatic regions of the human chromosomes. More than 90% of the genome is in scaffold assemblies of 100,000 bp or more, and 25% of the genome is in scaffolds of 10 million bp or larger. Analysis of the genome sequence revealed 26,588 protein-encoding transcripts for which there was strong corroborating evidence and an additional ∼12,000 computationally derived genes with mouse matches or other weak supporting evidence. Although gene-dense clusters are obvious, almost half the genes are dispersed in low G+C sequence separated by large tracts of apparently noncoding sequence. Only 1.1% of the genome is spanned by exons, whereas 24% is in introns, with 75% of the genome being intergenic DNA. Duplications of segmental blocks, ranging in size up to chromosomal lengths, are abundant throughout the genome and reveal a complex evolutionary history. Comparative genomic analysis indicates vertebrate expansions of genes associated with neuronal function, with tissue-specific developmental regulation, and with the hemostasis and immune systems. DNA sequence comparisons between the consensus sequence and publicly funded genome data provided locations of 2.1 million single-nucleotide polymorphisms (SNPs). A random pair of human haploid genomes differed at a rate of 1 bp per 1250 on average, but there was marked heterogeneity in the level of polymorphism across the genome. Less than 1% of all SNPs resulted in variation in proteins, but the task of determining which SNPs have functional consequences remains an open challenge.

The proliferation of large-scale DNA-sequencing projects in recent years has driven a search for alternative methods to reduce time and cost. Here we describe a scalable, highly parallel sequencing system with raw throughput significantly greater than that of state-of-the-art capillary electrophoresis instruments. The apparatus uses a novel fibre-optic slide of individual wells and is able to sequence 25 million bases, at 99% or better accuracy, in one four-hour run. To achieve an approximately 100-fold increase in throughput over current Sanger sequencing technology, we have developed an emulsion method for DNA amplification and an instrument for sequencing by synthesis using a pyrosequencing protocol optimized for solid support and picolitre-scale volumes. Here we show the utility, throughput, accuracy and robustness of this system by shotgun sequencing and de novo assembly of the Mycoplasma genitalium genome with 96% coverage at 99.96% accuracy in one run of the machine. The race is on for a big prize: the job of providing the world's DNA sequencing laboratories with the successor to the ‘Sanger-based’ technology that gave us the first wave of genome sequences. One technology in the frame is that produced by 454 Life Sciences Corporation of Branford, Connecticut. Today's technology reads 67,000 base pairs per hour; this new approach is 100 times faster, reading 6 million base pairs per hour. The improved performance results from using picolitre-sized chemical reactors, enhanced light-emitting sequencing chemistries and complex informatics. Further miniaturization of the system is planned. Such leaps in technology may one day make it possible to analyse an individual's genome before designing therapy: the ultimate in personalized medicine.

Summary

 Many proteins contain disordered regions of low-sequence complexity, which cause aging-associated diseases because they are prone to aggregate. Here, we study FUS, a prion-like protein containing intrinsically disordered domains associated with the neurodegenerative disease ALS. We show that, in cells, FUS forms liquid compartments at sites of DNA damage and in the cytoplasm upon stress. We confirm this by reconstituting liquid FUS compartments in vitro. Using an in vitro "aging" experiment, we demonstrate that liquid droplets of FUS protein convert with time from a liquid to an aggregated state, and this conversion is accelerated by patient-derived mutations. We conclude that the physiological role of FUS requires forming dynamic liquid-like compartments. We propose that liquid-like compartments carry the trade-off between functionality and risk of aggregation and that aberrant phase transitions within liquid-like compartments lie at the heart of ALS and, presumably, other age-related diseases. 

Video Abstract

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.

We report on the quality of a whole-genome assembly of Drosophila melanogaster and the nature of the computer algorithms that accomplished it. Three independent external data sources essentially agree with and support the assembly's sequence and ordering of contigs across the euchromatic portion of the genome. In addition, there are isolated contigs that we believe represent nonrepetitive pockets within the heterochromatin of the centromeres. Comparison with a previously sequenced 2.9- megabase region indicates that sequencing accuracy within nonrepetitive segments is greater than 99. 99% without manual curation. As such, this initial reconstruction of the Drosophila sequence should be of substantial value to the scientific community.

We established a collection of 7,000 transgenic lines of Drosophila melanogaster. Expression of GAL4 in each line is controlled by a different, defined fragment of genomic DNA that serves as a transcriptional enhancer. We used confocal microscopy of dissected nervous systems to determine the expression patterns driven by each fragment in the adult brain and ventral nerve cord. We present image data on 6,650 lines. Using both manual and machine-assisted annotation, we describe the expression patterns in the most useful lines. We illustrate the utility of these data for identifying novel neuronal cell types, revealing brain asymmetry, and describing the nature and extent of neuronal shape stereotypy. The GAL4 lines allow expression of exogenous genes in distinct, small subsets of the adult nervous system. The set of DNA fragments, each driving a documented expression pattern, will facilitate the generation of additional constructs for manipulating neuronal function.

Primate-specific segmental duplications are considered important in human disease and evolution. The inability to distinguish between allelic and duplication sequence overlap has hampered their characterization as well as assembly and annotation of our genome. We developed a method whereby each public sequence is analyzed at the clone level for overrepresentation within a whole-genome shotgun sequence. This test has the ability to detect duplications larger than 15 kilobases irrespective of copy number, location, or high sequence similarity. We mapped 169 large regions flanked by highly similar duplications. Twenty-four of these hot spots of genomic instability have been associated with genetic disease. Our analysis indicates a highly nonrandom chromosomal and genic distribution of recent segmental duplications, with a likely role in expanding protein diversity.

Space, not time, is often the limiting factor when computing optimal sequence alignments, and a number of recent papers in the biology literature have proposed space-saving strategies. However, a 1975 computer science paper by Hirschberg presented a method that is superior to the new proposals, both in theory and in practice. The goal of this paper is to give Hirschberg's idea the visibility it deserves by developing a linear-space version of Gotoh's algorithm, which accommodates affine gap penalties. A portable C-software package implementing this algorithm is available on the BIONET free of charge.

Fluorescence microscopy is a key driver of discoveries in the life sciences, with observable phenomena being limited by the optics of the microscope, the chemistry of the fluorophores, and the maximum photon exposure tolerated by the sample. These limits necessitate trade-offs between imaging speed, spatial resolution, light exposure, and imaging depth. In this work we show how content-aware image restoration based on deep learning extends the range of biological phenomena observable by microscopy. We demonstrate on eight concrete examples how microscopy images can be restored even if 60-fold fewer photons are used during acquisition, how near isotropic resolution can be achieved with up to tenfold under-sampling along the axial direction, and how tubular and granular structures smaller than the diffraction limit can be resolved at 20-times-higher frame rates compared to state-of-the-art methods. All developed image restoration methods are freely available as open source software in Python, FIJI, and KNIME.