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.

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 Recent advances in long-read sequencing opened a possibility to address the long-standing questions about the architecture and evolution of human centromeres. They also emphasized the need for centromere annotation (partitioning human centromeres into monomers and higher-order repeats (HORs)). Even though there was a half-century-long series of semi-manual studies of centromere architecture, a rigorous centromere annotation algorithm is still lacking. Moreover, an automated centromere annotation is a prerequisite for studies of genetic diseases associated with centromeres, and evolutionary studies of centromeres across multiple species. Although the monomer decomposition (transforming a centromere into a monocentromere written in the monomer alphabet) and the HOR decomposition (representing a monocentromere in the alphabet of HORs) are currently viewed as two separate problems, we demonstrate that they should be integrated into a single framework in such a way that HOR (monomer) inference affects monomer (HOR) inference. We thus developed the HORmon algorithm that integrates the monomer/HOR inference and automatically generates the human monomers/HORs that are largely consistent with the previous semi-manual inference.

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 The crab-eating macaques ( Macaca fascicularis ) and rhesus macaques ( M. mulatta ) are widely studied nonhuman primates in biomedical and evolutionary research. Despite their significance, the current understanding of the complex genomic structure in macaques and the differences between species requires substantial improvement. Here, we present a complete genome assembly of a crab-eating macaque and 20 haplotype-resolved macaque assemblies to investigate the complex regions and major genomic differences between species. Segmental duplication in macaques is ∼42% lower, while centromeres are ∼3.7 times longer than those in humans. The characterization of ∼2 Mbp fixed genetic variants and ∼240 Mbp complex loci highlights potential associations with metabolic differences between the two macaque species (e.g., CYP2C76 and EHBP1L1 ). Additionally, hundreds of alternative splicing differences show post-transcriptional regulation divergence between these two species (e.g., PNPO ). We also characterize 91 large-scale genomic differences between macaques and humans at a single-base-pair resolution and highlight their impact on gene regulation in primate evolution (e.g., FOLH1 and PIEZO2 ). Finally, population genetics recapitulates macaque speciation and selective sweeps, highlighting potential genetic basis of reproduction and tail phenotype differences (e.g., STAB1 , SEMA3F , and HOXD13 ). In summary, the integrated analysis of genetic variation and population genetics in macaques greatly enhances our comprehension of lineage-specific phenotypes, adaptation, and primate evolution, thereby improving their biomedical applications in human diseases.

We completely sequenced and assembled all centromeres from a second human genome and used two reference sets to benchmark genetic, epigenetic, and evolutionary variation within centromeres from a diversity panel of humans and apes. We find that centromere single-nucleotide variation can increase by up to 4.1-fold relative to other genomic regions, with the caveat that up to 45.8% of centromeric sequence, on average, cannot be reliably aligned with current methods due to the emergence of new α-satellite higher-order repeat (HOR) structures and two to threefold differences in the length of the centromeres. The extent to which this occurs differs depending on the chromosome and haplotype. Comparing the two sets of complete human centromeres, we find that eight harbor distinctly different α-satellite HOR array structures and four contain novel α-satellite HOR variants in high abundance. DNA methylation and CENP-A chromatin immunoprecipitation experiments show that 26% of the centromeres differ in their kinetochore position by at least 500 kbp-a property not readily associated with novel α-satellite HORs. 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 nearly complete turnover of α-satellite HORs, but with idiosyncratic changes in structure characteristic to each species. Phylogenetic reconstruction of human haplotypes supports limited to no recombination between the p- and q-arms of human chromosomes 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.

Great apes have maintained a stable karyotype with few large-scale rearrangements; in contrast, gibbons have undergone a high rate of chromosomal rearrangements coincident with rapid centromere turnover. Here we characterize assembled centromeres in the Eastern hoolock gibbon, Hoolock leuconedys (HLE), finding a diverse group of transposable elements (TEs) that differ from the canonical alpha satellites found across centromeres of other apes. We find that HLE centromeres contain a CpG methylation centromere dip region, providing evidence this epigenetic feature is conserved in the absence of satellite arrays; nevertheless, we report a variety of atypical centromeric features, including protein-coding genes and mismatched replication timing. Further, large structural variations define HLE centromeres and distinguish them from other gibbons. Combined with differentially methylated TEs, topologically associated domain boundaries, and segmental duplications at chromosomal breakpoints, we propose that a perfect storm of multiple genomic attributes with propensities for chromosome instability shaped gibbon centromere evolution.