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 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 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 The short arms of the human acrocentric chromosomes 13, 14, 15, 21, and 22 share large homologous regions, including the ribosomal DNA repeats and extended segmental duplications (Floutsakou et al. 2013; van Sluis et al. 2019). While the complete assembly of these regions in the Telomere-to-Telomere consortium’s CHM13 provided a model of their homology (Nurk et al. 2022), it remained unclear if these patterns were ancestral or maintained by ongoing recombination exchange. Here, we show that acrocentric chromosomes contain pseudo-homologous regions (PHRs) indicative of recombination between non-homologs. Considering an all-to-all comparison of the high-quality human pangenome from the Human Pangenome Reference Consortium (HPRC) (Liao et al. 2022), we find that contigs from all of the acrocentric short arms form a community similar to those formed by single chromosomes or the sex chromosome pair. A variation graph (Garrison et al. 2018) constructed from centromere-spanning acrocentric contigs indicates the presence of regions where most contigs appear nearly identical between heterologous CHM13 acrocentrics. Except on chromosome 15, we observe faster decay of linkage disequilibrium in the PHRs than in the corresponding short and long arms, indicating higher rates of recombination (N. Li and Stephens 2003; Huttley et al. 1999). The PHRs include sequences previously shown to lie at the breakpoint of Robertsonian translocations (Jarmuz-Szymczak et al. 2014), and we show that their arrangement is compatible with crossover in inverted duplications on chromosomes 13, 14, and 21. The ubiquity of signals of recombination between heterologous chromosomes seen in the HPRC draft pangenome’s acrocentric assemblies suggests that these shared sequences form the basis for recurrent Robertsonian translocations, providing sequence and population-based confirmation of hypotheses first developed cytogenetically fifty years ago (Hamerton et al. 1975).

Abstract Human centromeres have been traditionally very difficult to sequence and assemble owing to their repetitive nature and large size 1 . As a result, patterns of human centromeric variation and models for their evolution and function remain incomplete, despite centromeres being among the most rapidly mutating regions 2,3 . Here, using long-read sequencing, we completely sequenced and assembled all centromeres from a second human genome and compared it to the finished reference genome 4,5 . We find that the two sets of centromeres show at least a 4.1-fold increase in single-nucleotide variation when compared with their unique flanks and vary up to 3-fold in size. Moreover, we find that 45.8% of centromeric sequence cannot be reliably aligned using standard methods owing to the emergence of new α-satellite higher-order repeats (HORs). DNA methylation and CENP-A chromatin immunoprecipitation experiments show that 26% of the centromeres differ in their kinetochore position by >500 kb. To understand evolutionary change, we selected six chromosomes and sequenced and assembled 31 orthologous centromeres from the common chimpanzee, orangutan and macaque genomes. Comparative analyses reveal a nearly complete turnover of α-satellite HORs, with characteristic idiosyncratic changes in α-satellite HORs for each species. Phylogenetic reconstruction of human haplotypes supports limited to no recombination between the short (p) and long (q) arms across centromeres and reveals that novel α-satellite HORs share a monophyletic origin, providing a strategy to estimate the rate of saltatory amplification and mutation of human centromeric DNA.

Abstract Ribosome biogenesis is a vital and energy-consuming cellular function occurring primarily in the nucleolus. Cancer cells have an especially high demand for ribosomes to sustain continuous proliferation. This study evaluated the impact of existing anticancer drugs on the nucleolus by screening a library of anticancer compounds for drugs that induce nucleolar stress. For a readout, a novel parameter termed “nucleolar normality score” was developed that measures the ratio of the fibrillar center and granular component proteins in the nucleolus and nucleoplasm. Multiple classes of drugs were found to induce nucleolar stress, including DNA intercalators, inhibitors of mTOR/PI3K, heat shock proteins, proteasome, and cyclin-dependent kinases (CDKs). Each class of drugs induced morphologically and molecularly distinct states of nucleolar stress accompanied by changes in nucleolar biophysical properties. In-depth characterization focused on the nucleolar stress induced by inhibition of transcriptional CDKs, particularly CDK9, the main CDK that regulates RNA Pol II. Multiple CDK substrates were identified in the nucleolus, including RNA Pol I – recruiting protein Treacle, which was phosphorylated by CDK9 in vitro . These results revealed a concerted regulation of RNA Pol I and Pol II by transcriptional CDKs. Our findings exposed many classes of chemotherapy compounds that are capable of inducing nucleolar stress, and we recommend considering this in anticancer drug development. Types of nucleolar stresses identified in this study (1) DNA intercalators and RNA Pol inhibitors induced canonical nucleolar stress manifested by partial dispersion of granular component (GC) and segregation of rDNA and fibrillar center (FC) components UBF, Treacle, and POLR1A within nucleolar stress caps. (2) Inhibition of mTOR and PI3K growth pathways induced a metabolic suppression of function accompanied by the decrease in nucleolar normality score, size, and rRNA production, without dramatic re-organization of nucleolar anatomy. (3) Inhibitors targeting HSP90 and proteasome induced proteotoxicity, resulting in the disruption of protein homeostasis and the accumulation of misfolded and/or undegraded proteins. These effects were accompanied by a decrease in nucleolar normality score, rRNA output, and in some cases formation of protein aggregates (aggresomes) inside the nucleolus. (4) Inhibition of transcriptional CDK activity led to the disruption of interactions between rDNA, RNA Pol I, and GC proteins. This resulted in almost complete nucleolar dissolution, leaving behind an extended bare rDNA scaffold with only a few associated FC proteins remaining. UBF and PolI-recruiting protein Treacle remained associated with the rDNA, while POLR1A and GC dispersed in the nucleoplasm. rRNA production ceased and the nucleolar normality score was greatly reduced.

We present haplotype-resolved reference genomes and comparative analyses of six ape species, namely: chimpanzee, bonobo, gorilla, Bornean orangutan, Sumatran orangutan, and siamang. We achieve chromosome-level contiguity with unparalleled sequence accuracy (<1 error in 500,000 base pairs), completely sequencing 215 gapless chromosomes telomere-to-telomere. We resolve challenging regions, such as the major histocompatibility complex and immunoglobulin loci, providing more in-depth evolutionary insights. Comparative analyses, including human, allow us to investigate the evolution and diversity of regions previously uncharacterized or incompletely studied without bias from mapping to the human reference. This includes newly minted gene families within lineage-specific segmental duplications, centromeric DNA, acrocentric chromosomes, and subterminal heterochromatin. This resource should serve as a definitive baseline for all future evolutionary studies of humans and our closest living ape relatives.