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.

In the yeast Saccharomyces cerevisiae , meiotic recombination is initiated by double-strand DNA breaks (DSBs). Meiotic DSBs occur at relatively high frequencies in some genomic regions (hotspots) and relatively low frequencies in others (coldspots). We used DNA microarrays to estimate variation in the level of nearby meiotic DSBs for all 6,200 yeast genes. Hotspots were nonrandomly associated with regions of high G + C base composition and certain transcriptional profiles. Coldspots were nonrandomly associated with the centromeres and telomeres.

Nuclear pore complexes play central roles as gatekeepers of RNA and protein transport between the cytoplasm and nucleoplasm. However, their large size and dynamic nature have impeded a full structural and functional elucidation. Here we determined the structure of the entire 552-protein nuclear pore complex of the yeast Saccharomyces cerevisiae at sub-nanometre precision by satisfying a wide range of data relating to the molecular arrangement of its constituents. The nuclear pore complex incorporates sturdy diagonal columns and connector cables attached to these columns, imbuing the structure with strength and flexibility. These cables also tie together all other elements of the nuclear pore complex, including membrane-interacting regions, outer rings and RNA-processing platforms. Inwardly directed anchors create a high density of transport factor-docking Phe-Gly repeats in the central channel, organized into distinct functional units. This integrative structure enables us to rationalize the architecture, transport mechanism and evolutionary origins of the nuclear pore complex.

In eukaryotic cells, cohesin holds sister chromatids together until they separate into daughter cells during mitosis. We have used chromatin immunoprecipitation coupled with microarray analysis (ChIP chip) to produce a genome-wide description of cohesin binding to meiotic and mitotic chromosomes of Saccharomyces cerevisiae. A computer program, PeakFinder, enables flexible, automated identification and annotation of cohesin binding peaks in ChIP chip data. Cohesin sites are highly conserved in meiosis and mitosis, suggesting that chromosomes share a common underlying structure during different developmental programs. These sites occur with a semiperiodic spacing of 11 kb that correlates with AT content. The number of sites correlates with chromosome size; however, binding to neighboring sites does not appear to be cooperative. We observed a very strong correlation between cohesin sites and regions between convergent transcription units. The apparent incompatibility between transcription and cohesin binding exists in both meiosis and mitosis. Further experiments reveal that transcript elongation into a cohesin-binding site removes cohesin. A negative correlation between cohesin sites and meiotic recombination sites suggests meiotic exchange is sensitive to the chromosome structure provided by cohesin. The genome-wide view of mitotic and meiotic cohesin binding provides an important framework for the exploration of cohesins and cohesion in other genomes.

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 The complete assembly of each human chromosome is essential for understanding human biology and evolution. Using complementary long-read sequencing technologies, we complete the first linear assembly of a human autosome, chromosome 8. Our assembly resolves the sequence of five previously long-standing gaps, including a 2.08 Mbp centromeric α-satellite array, a 644 kbp defensin copy number polymorphism important for disease risk, and an 863 kbp variable number tandem repeat at chromosome 8q21.2 that can function as a neocentromere. We show that the centromeric α-satellite array is generally methylated except for a 73 kbp hypomethylated region of diverse higher-order α-satellite enriched with CENP-A nucleosomes, consistent with the location of the kinetochore. Using a dual long-read sequencing approach, we complete the assembly of the orthologous chromosome 8 centromeric regions in chimpanzee, orangutan, and macaque for the first time to reconstruct its evolutionary history. Comparative and phylogenetic analyses show that the higher-order α-satellite structure evolved specifically in the great ape ancestor, and the centromeric region evolved with a layered symmetry, with more ancient higher-order repeats located at the periphery adjacent to monomeric α-satellites. We estimate that the mutation rate of centromeric satellite DNA is accelerated at least 2.2-fold, and this acceleration extends beyond the higher-order α-satellite into the flanking sequence.

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.