Interferon-inducible transmembrane (IFITM) protein 3 is shown to be an innate defence mechanism against viral infection in vivo; furthermore, a subset of the patients hospitalized during the H1N1 2009 pandemic carried a variant form of the IFITM3 gene. Interferon-inducible transmembrane (IFITM) proteins restrict the replication of certain pathogenic viruses, but no in vivo role for these proteins has been known until now. Paul Kellam and colleagues now report that IFITM3 is essential for protecting mice infected with influenza viruses from developing fulminant viral pneumonia. The authors further find that a small subset of humans hospitalized for infection with pandemic H1N1/09 swine flu or seasonal influenza virus carried a variant of IFITM3 with reduced antiviral activity. These results suggest that IFITM3 has a pivotal role in defence against influenza infection. The 2009 H1N1 influenza pandemic showed the speed with which a novel respiratory virus can spread and the ability of a generally mild infection to induce severe morbidity and mortality in a subset of the population. Recent in vitro studies show that the interferon-inducible transmembrane (IFITM) protein family members potently restrict the replication of multiple pathogenic viruses1,2,3,4,5,6,7. Both the magnitude and breadth of the IFITM proteins’ in vitro effects suggest that they are critical for intrinsic resistance to such viruses, including influenza viruses. Using a knockout mouse model8, we now test this hypothesis directly and find that IFITM3 is essential for defending the host against influenza A virus in vivo. Mice lacking Ifitm3 display fulminant viral pneumonia when challenged with a normally low-pathogenicity influenza virus, mirroring the destruction inflicted by the highly pathogenic 1918 ‘Spanish’ influenza9,10. Similar increased viral replication is seen in vitro, with protection rescued by the re-introduction of Ifitm3. To test the role of IFITM3 in human influenza virus infection, we assessed the IFITM3 alleles of individuals hospitalized with seasonal or pandemic influenza H1N1/09 viruses. We find that a statistically significant number of hospitalized subjects show enrichment for a minor IFITM3 allele (SNP rs12252-C) that alters a splice acceptor site, and functional assays show the minor CC genotype IFITM3 has reduced influenza virus restriction in vitro. Together these data reveal that the action of a single intrinsic immune effector, IFITM3, profoundly alters the course of influenza virus infection in mouse and humans.

A major use of the 1000 Genomes Project (1000 GP) data is genotype imputation in genome-wide association studies (GWAS). Here we develop a method to estimate haplotypes from low-coverage sequencing data that can take advantage of single-nucleotide polymorphism (SNP) microarray genotypes on the same samples. First the SNP array data are phased to build a backbone (or 'scaffold') of haplotypes across each chromosome. We then phase the sequence data 'onto' this haplotype scaffold. This approach can take advantage of relatedness between sequenced and non-sequenced samples to improve accuracy. We use this method to create a new 1000 GP haplotype reference set for use by the human genetic community. Using a set of validation genotypes at SNP and bi-allelic indels we show that these haplotypes have lower genotype discordance and improved imputation performance into downstream GWAS samples, especially at low-frequency variants.

Abstract Here the Human Pangenome Reference Consortium presents a first draft of the human pangenome reference. The pangenome contains 47 phased, diploid assemblies from a cohort of genetically diverse individuals 1 . These assemblies cover more than 99% of the expected sequence in each genome and are more than 99% accurate at the structural and base pair levels. Based on alignments of the assemblies, we generate a draft pangenome that captures known variants and haplotypes and reveals new alleles at structurally complex loci. We also add 119 million base pairs of euchromatic polymorphic sequences and 1,115 gene duplications relative to the existing reference GRCh38. Roughly 90 million of the additional base pairs are derived from structural variation. Using our draft pangenome to analyse short-read data reduced small variant discovery errors by 34% and increased the number of structural variants detected per haplotype by 104% compared with GRCh38-based workflows, which enabled the typing of the vast majority of structural variant alleles per sample.

Identifying Important Identifiers Each of us has millions of sequence variations in our genomes. Signatures of purifying or negative selection should help identify which of those variations is functionally important. Khurana et al. ( 1235587 ) used sequence polymorphisms from 1092 humans across 14 populations to identify patterns of selection, especially in noncoding regulatory regions. Noncoding regions under very strong negative selection included binding sites of some chromatin and general transcription factors (TFs) and core motifs of some important TF families. Positive selection in TF binding sites tended to occur in network hub promoters. Many recurrent somatic cancer variants occurred in noncoding regulatory regions and thus might indicate mutations that drive cancer.

Pangenome references address biases of reference genomes by storing a representative set of diverse haplotypes and their alignment, usually as a graph. Alternate alleles determined by variant callers can be used to construct pangenome graphs, but advances in long-read sequencing are leading to widely available, high-quality phased assemblies. Constructing a pangenome graph directly from assemblies, as opposed to variant calls, leverages the graph’s ability to represent variation at different scales. Here we present the Minigraph-Cactus pangenome pipeline, which creates pangenomes directly from whole-genome alignments, and demonstrate its ability to scale to 90 human haplotypes from the Human Pangenome Reference Consortium. The method builds graphs containing all forms of genetic variation while allowing use of current mapping and genotyping tools. We measure the effect of the quality and completeness of reference genomes used for analysis within the pangenomes and show that using the CHM13 reference from the Telomere-to-Telomere Consortium improves the accuracy of our methods. We also demonstrate construction of a Drosophila melanogaster pangenome. Constructing genome graphs directly from genome assemblies overcomes single-reference bias.

Abstract The BXD recombinant inbred (RI) mouse strains are the largest and most deeply phenotyped inbred panel of vertebrate organisms. RIs allow phenotyping of isogenic individuals across virtually any environment or treatment. We performed whole genome sequencing and generated a compendium of SNPs, indels, short tandem repeats, and structural variants in these strains and used them to analyze phenomic data accumulated over the past 50 years. We show that BXDs segregate >6 million variants with high minor allele which are dervied from the C57BL/6J and DBA/2J founders and use this dense variant set to define ‘infinite’ marker maps and a novel family-level pangenome. We additionally characterize rates and spectra de novo variants which have accumulated over 20-200 generations of inbreeding, and have largely been ignored previously. Overall, the uniquely rich phenome when linked with WGS enables a new type of integrative modeling of genotype-to-phenotype relations.

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 Short tandem repeats (STRs) are a class of rapidly mutating genetic elements characterized by repeated units of 1 or more nucleotides. We leveraged whole genome sequencing data for 152 recombinant inbred (RI) strains from the BXD family derived from C57BL/6J and DBA/2J mice to study the effects of genetic background on genome-wide patterns of new mutations at STRs. We defined quantitative phenotypes describing the numbers and types of germline STR mutations in each strain and identified a locus on chromosome 13 associated with the propensity of STRs to expand. Several dozen genes lie in the QTL region, including Msh3 , a known modifier of STR stability at pathogenic repeat expansions in mice and humans. Detailed analysis of the locus revealed a cluster of variants near the 5’ end of Msh3 , including multiple protein-coding variants within the DNA mismatch recognition domain of MSH3, and a retrotransposon insertion overlapping an annotated exon. Additionally, gene expression analysis demonstrates co-localization of this QTL with expression QTLs for multiple nearby genes, including Msh3 . Our results suggest a novel role for Msh3 in regulating genome-wide patterns of germline STR mutations and demonstrate that inherited genetic variation can contribute to variability in accumulation of new mutations across individuals.

Summary The HXB/BXH family of recombinant inbred rat strains is a unique genetic resource that has been extensively phenotyped over 25 years, resulting in a vast dataset of quantitative molecular and physiological phenotypes. We built a pangenome graph from 10x Genomics Linked-Read data for 31 recombinant inbred rats to study genetic variation and association mapping. The pangenome includes 0.2Gb of sequence that is not present the reference mRatBN7.2, confirming the capture of substantial additional variation. We validated variants in challenging regions, including complex structural variants resolving into multiple haplotypes. Phenome-wide association analysis of validated SNPs uncovered variants associated with glucose/insulin levels and hippocampal gene expression. We propose an interaction between Pirl1l1 , chromogranin expression, TNF-α levels, and insulin regulation. This study demonstrates the utility of linked-read pangenomes for comprehensive variant detection and mapping phenotypic diversity in a widely used rat genetic reference panel.

Abstract Linked-read whole genome sequencing methods, such as the 10x Chromium, attach a unique molecular barcode to each high molecular weight DNA molecule. The samples are then sequenced using short-read technology. During analysis, sequence reads sharing the same barcode are aligned to adjacent genomic locations. The pattern of barcode sharing between genomic regions allows the discovery of large structural variants (SVs) in the range of 1 Kb to a few Mb. Most SV calling methods for these data, such as LongRanger, analyze one sample at a time and often produces inconsistent results for the same genomic location across multiple samples. We developed a method, SVJAM, for joint calling of SVs, using data from 152 members of the BXD family of recombinant inbred strains of mice. Our method first collects candidate SV regions from single sample analysis, such as those produced by LongRanger. We then retrieve barcode overlapping data from all samples for each region. These data are organized as a high dimensional matrix. The dimension of this matrix is then reduced using principal component analysis. Samples projected onto a two dimensional space formed by the first two principal components forms two or three clusters based on their genotype, representing the reference, alternative, or heterozygotic alleles. We developed a novel distance measure for hierarchical clustering and rotating the axes to find the optimal clustering results. We also developed an algorithm to decide whether the pattern of sample distribution is best fitted with one, two, or three genotypes. For each sample, we calculate its membership score for each genotype. We compared results produced by SVJAM with LongRanger and few methods that rely on PacBio or Oxford Nanopore data. In a comparison of SVJAM with SV detected using long-read sequencing data for the DBA/2J strain, we found that our results recovered many SVs missed by LongRanger. We also found many SVs called by LongRanger were assigned with an incorrect SV type. Our algorithm also consistently identified heterozygotic regions.