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 Compared to its predecessors, the Telomere-to-Telomere CHM13 genome adds nearly 200 Mbp of sequence, corrects thousands of structural errors, and unlocks the most complex regions of the human genome to clinical and functional study. Here we demonstrate how the new reference universally improves read mapping and variant calling for 3,202 and 17 globally diverse samples sequenced with short and long reads, respectively. We identify hundreds of thousands of novel variants per sample—a new frontier for evolutionary and biomedical discovery. Simultaneously, the new reference eliminates tens of thousands of spurious variants per sample, including up to 12-fold reduction of false positives in 269 medically relevant genes. The vast improvement in variant discovery coupled with population and functional genomic resources position T2T-CHM13 to replace GRCh38 as the prevailing reference for human genetics. One Sentence Summary The T2T-CHM13 reference genome universally improves the analysis of human genetic variation.

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 GRCh38 reference is the current standard in human genomics research and clinical applications, but includes errors across 33 protein-coding genes, including 12 with medical relevance. Current studies rely on the correctness of this reference genome and require an accurate and cost-effective way to improve variant calling and expression analysis across these erroneous loci. We identified likely artifacts in GTEx, gnomAD, 1000 Genomes Project, and other important genomic resources leading to wrong interpretations for these genes. Here, we present FixItFelix together with a modified GRCh38 version that improves the subsequent analysis across these genes within minutes for an existing BAM/CRAM file. We showcase these improvements over multi-ethnic control samples across short and long-read DNA-, and RNA-sequencing. Furthermore, applying our approach across thousands of genomes demonstrates improvements for population variant calling as well as eQTL studies. Still, some genes e.g., DUSP22 indicate mixed results due to their complexity.

Abstract The enhanced cognitive abilities characterizing the human species result from specialized features of neurons and circuits, but the underlying molecular mechanisms remain largely unknown. Here we report that the hominid-specific gene LRRC37B encodes a novel receptor expressed in a subset of human cortical pyramidal neurons (CPNs). LRRC37B protein localizes at the axon initial segment (AIS), the specialized domain triggering action potentials. LRRC37B ectopic expression in mouse CPNs in vivo leads to reduced intrinsic excitability, a distinctive feature of some classes of human CPNs. At the molecular level, LRRC37B acts as a receptor for the secreted ligand FGF13A and interacts with the voltage gated sodium channel (VGSC) beta subunit SCN1B, thereby inhibiting the channel function of VGSC, specifically at the AIS. Electrophysiological recordings in adult human cortical slices reveals that endogenous expression of LRRC37B in human CPNs reduces neuronal excitability. LRRC37B thus acts as a species-specific modifier of human cortical neuron function, with important implications for human brain evolution and diseases.

ABSTRACT Background Zebrafish have practical features that make them a useful model for higher-throughput tests of gene function using CRISPR/Cas9 editing to create ‘knockout’ models. In particular, the use of G 0 mosaic mutants has potential to increase throughput of functional studies significantly but may suffer from transient effects of introducing Cas9 via microinjection. Further, a large number of computational and empirical tools exist to design CRISPR assays but often produce varied predictions across methods leaving uncertainty in choosing an optimal approach for zebrafish studies. Methods To systematically assess accuracy of tool predictions of on- and off-target gene editing, we subjected zebrafish embryos to CRISPR/Cas9 with 50 different guide RNAs (gRNAs) targeting 14 genes. We also investigate potential confounders of G 0 -based CRISPR screens by screening control embryos for spurious mutations and altered gene expression. Results We compared our experimental in vivo editing efficiencies in mosaic G 0 embryos with those predicted by eight commonly used gRNA design tools and found large discrepancies between methods. Assessing off-target mutations (predicted in silico and in vitro ) found that the majority of tested loci had low in vivo frequencies (<1%). To characterize if commonly used ‘mock’ CRISPR controls (larvae injected with Cas9 enzyme or mRNA with no gRNA) exhibited spurious molecular features that might exacerbate studies of G 0 mosaic CRISPR knockout fish, we generated an RNA-seq dataset of various control larvae at 5 days post fertilization. While we found no evidence of spontaneous somatic mutations of injected larvae, we did identify several hundred differentially-expressed genes with high variability between injection types. Network analyses of shared differentially-expressed genes in the ‘mock’ injected larvae implicated a number of key regulators of common metabolic pathways, and gene-ontology analysis revealed connections with response to wounding and cytoskeleton organization, highlighting a potentially lasting effect from the microinjection process that requires further investigation. Conclusion Overall, our results provide a valuable resource for the zebrafish community for the design and execution of CRISPR/Cas9 experiments.

Autism spectrum disorder (ASD) is a genetically heterogeneous condition, caused by a combination of rare de novo and inherited variants as well as common variants in at least several hundred genes. However, significantly larger sample sizes are needed to identify the complete set of genetic risk factors. We conducted a pilot study for SPARK (SPARKForAutism.org) of 457 families with ASD, all consented online. Whole exome sequencing (WES) and genotyping data were generated for each family using DNA from saliva. We identified variants in genes and loci that are clinically recognized causes or significant contributors to ASD in 10.4% of families without previous genetic findings. Additionally, we identified variants that are possibly associated with autism in an additional 3.4% of families. A meta-analysis using the TADA framework at a false discovery rate (FDR) of 0.2 provides statistical support for 34 ASD risk genes with at least one damaging variant identified in SPARK. Nine of these genes (BRSK2, DPP6, EGR3, FEZF2, ITSN1, KDM1B, NR4A2, PAX5 and RALGAPB) are newly emerging genes in autism, of which BRSK2 has the strongest statistical support as a risk gene for autism (TADA q-value = 0.0015). Future studies leveraging the thousands of individuals with ASD that have enrolled in SPARK are likely to further clarify the genetic risk factors associated with ASD as well as allow accelerate autism research that incorporates genetic etiology.

After nearly two decades of improvements, the current human reference genome (GRCh38) is the most accurate and complete vertebrate genome ever produced. However, no one chromosome has been finished end to end, and hundreds of unresolved gaps persist [1][1],[2][2]. The remaining gaps include ribosomal rDNA arrays, large near-identical segmental duplications, and satellite DNA arrays. These regions harbor largely unexplored variation of unknown consequence, and their absence from the current reference genome can lead to experimental artifacts and hide true variants when re-sequencing additional human genomes. Here we present a de novo human genome assembly that surpasses the continuity of GRCh38 [2][2], along with the first 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 chromosome [3][3], we reconstructed the ∼2.8 megabase centromeric satellite DNA array and closed all 29 remaining gaps in the current reference, including new sequence from the human pseudoautosomal regions and cancer-testis ampliconic gene families (CT-X and GAGE). This complete chromosome X, combined with the ultra-long nanopore data, also allowed us to map methylation patterns across complex tandem repeats and satellite arrays for the first time. These results demonstrate that finishing the human genome is now within reach and will enable ongoing efforts to complete the remaining human chromosomes. [1]: #ref-1 [2]: #ref-2 [3]: #ref-3

Ambient temperature is a critical environmental factor for all living organisms. It was likely an important selective force as modern humans recently colonized temperate and cold Eurasian environments. Nevertheless, as of yet we have limited evidence of local adaptation to ambient temperature in populations from those environments. To shed light on this question, we exploit the fact that humans are a cosmopolitan species that inhabits territories under a wide range of temperatures. Focusing on cold perception, which is central to thermoregulation and survival in cold environments, we show evidence of recent local adaptation on TRPM8. This gene encodes for a cation channel that is, to date, the only temperature receptor known to mediate an endogenous response to moderate cold. The upstream variant rs10166942 shows extreme population differentiation, with frequencies that range from 5% in Nigeria to 88% in Finland (placing this SNP in the 0.02% tail of the FST empirical distribution). When all populations are jointly analysed, allele frequencies correlate with latitude and temperature beyond what can be explained by shared ancestry and population substructure. Using a Bayesian approach, we infer that the allele originated and evolved neutrally in Africa, while positive selection raised its frequency to different degrees in Eurasian populations, resulting in allele frequencies that follow a latitudinal cline. We infer strong positive selection, in agreement with ancient DNA showing high frequency of the allele in Europe 3,000 to 8,000 years ago. rs10166942 is important phenotypically because its ancestral allele is protective of migraine. This debilitating disorder varies in prevalence across human populations, with highest prevalence in individuals of European descent, precisely the population with the highest frequency of rs10166942 derived allele. We thus hypothesize that local adaptation on previously neutral standing variation may have contributed to the genetic differences that exist in the prevalence of migraine among human populations today.

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.