All living things experience an increase in entropy, manifested as a loss of genetic and epigenetic information. In yeast, epigenetic information is lost over time due to the relocalization of chromatin-modifying proteins to DNA breaks, causing cells to lose their identity, a hallmark of yeast aging. Using a system called "ICE" (inducible changes to the epigenome), we find that the act of faithful DNA repair advances aging at physiological, cognitive, and molecular levels, including erosion of the epigenetic landscape, cellular exdifferentiation, senescence, and advancement of the DNA methylation clock, which can be reversed by OSK-mediated rejuvenation. These data are consistent with the information theory of aging, which states that a loss of epigenetic information is a reversible cause of aging.

A central question in evolutionary biology is whether sponges or ctenophores (comb jellies) are the sister group to all other animals. These alternative phylogenetic hypotheses imply different scenarios for the evolution of complex neural systems and other animal-specific traits1-6. Conventional phylogenetic approaches based on morphological characters and increasingly extensive gene sequence collections have not been able to definitively answer this question7-11. Here we develop chromosome-scale gene linkage, also known as synteny, as a phylogenetic character for resolving this question12. We report new chromosome-scale genomes for a ctenophore and two marine sponges, and for three unicellular relatives of animals (a choanoflagellate, a filasterean amoeba and an ichthyosporean) that serve as outgroups for phylogenetic analysis. We find ancient syntenies that are conserved between animals and their close unicellular relatives. Ctenophores and unicellular eukaryotes share ancestral metazoan patterns, whereas sponges, bilaterians, and cnidarians share derived chromosomal rearrangements. Conserved syntenic characters unite sponges with bilaterians, cnidarians, and placozoans in a monophyletic clade to the exclusion of ctenophores, placing ctenophores as the sister group to all other animals. The patterns of synteny shared by sponges, bilaterians, and cnidarians are the result of rare and irreversible chromosome fusion-and-mixing events that provide robust and unambiguous phylogenetic support for the ctenophore-sister hypothesis. These findings provide a new framework for resolving deep, recalcitrant phylogenetic problems and have implications for our understanding of animal evolution.

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 Organ-on-a-chip systems combine microfluidics, cell biology, and tissue engineering to culture 3D organ-specific in vitro models that recapitulate the biology and physiology of their in vivo counterparts. Here, we have developed a multiplex platform that automates the culture of individual organoids in isolated microenvironments at user-defined media flow rates. Programmable workflows allow the use of multiple reagent reservoirs that may be applied to direct differentiation, study temporal variables, and grow cultures long term. Novel techniques in polydimethylsiloxane (PDMS) chip fabrication are described here that enable features on the upper and lower planes of a single PDMS substrate. RNA sequencing (RNA-seq) analysis of automated cerebral cortex organoid cultures shows benefits in reducing glycolytic and endoplasmic reticulum stress compared to conventional in vitro cell cultures.

All living things experience entropy, manifested as a loss of inherited genetic and epigenetic information over time. As budding yeast cells age, epigenetic changes result in a loss of cell identity and sterility, both hallmarks of yeast aging. In mammals, epigenetic information is also lost over time, but what causes it to be lost and whether it is a cause or a consequence of aging is not known. Here we show that the transient induction of genomic instability, in the form of a low number of non-mutagenic DNA breaks, accelerates many of the chromatin and tissue changes seen during aging, including the erosion of the epigenetic landscape, a loss of cellular identity, advancement of the DNA methylation clock and cellular senescence. These data support a model in which a loss of epigenetic information is a cause of aging in mammals.

Background: Assemblies of diploid genomes are generally unphased, pseudo-haploid representations that do not correctly reconstruct the two parental haplotypes present in the individual sequenced. Instead, the assembly alternates between parental haplotypes and may contain duplications in regions where the parental haplotypes are sufficiently different. Trio binning is an approach to genome assembly that uses short reads from both parents to classify long reads from the offspring according to maternal or paternal haplotype origin, and is thus helped rather than impeded by heterozygosity. Using this approach, it is possible to derive two assemblies from an individual, accurately representing both parental contributions in their entirety with higher continuity and accuracy than is possible with other methods. Results: We used trio binning to assemble reference genomes for two species from a single individual using an interspecies cross of yak (Bos grunniens) and cattle (Bos taurus). The high heterozygosity inherent to interspecies hybrids allowed us to confidently assign >99% of long reads from the F1 offspring to parental bins using unique k-mers from parental short reads. Both the maternal (yak) and paternal (cattle) assemblies contain over one third of the acrocentric chromosomes, including the two largest chromosomes, in single haplotigs. Conclusions: These haplotigs are the first vertebrate chromosome arms to be assembled gap-free and fully phased, and the first time assemblies for two species have been created from a single individual. Both assemblies are the most continuous currently available for non-model vertebrates.

Across the geographic range of mountain lions, which includes much of North and South America, populations have become increasingly isolated due to human persecution and habitat loss. To explore the genomic consequences of these processes, we assembled a high-quality mountain lion genome and analyzed a panel of resequenced individuals from across their geographic range. We found strong geographical structure and signatures of severe inbreeding in all North American populations. Tracts of homozygosity were rarely shared among populations, suggesting that assisted gene flow would restore local genetic diversity. However, the genome of an admixed Florida panther that descended from a translocated individual from Central America had surprisingly long tracts of homozygosity, indicating that genomic gains from translocation were quickly lost by local inbreeding. Thus, to sustain diversity, genetic rescue will need to occur at regular intervals, through repeated translocations or restoring landscape connectivity. Mountain lions provide a rare opportunity to examine the potential to restore diversity through genetic rescue, and to observe the long-term effects of translocation. Our methods and results provide a framework for genome-wide analyses that can be applied to the management of small and isolated populations.

The relationship between evolutionary genome remodeling and the three-dimensional structure of the genome remain largely unexplored. Here we use the heavily rearranged gibbon genome to examine how evolutionary chromosomal rearrangements impact genome-wide chromatin interactions, topologically associating domains (TADs), and their epigenetic landscape. We use high-resolution maps of gibbon-human breaks of synteny (BOS), apply Hi-C in gibbon, measure an array of epigenetic features, and perform cross-species comparisons. We find that gibbon rearrangements occur at TAD boundaries, independent of the parameters used to identify TADs. This overlap is supported by a remarkable genetic and epigenetic similarity between BOS and TAD boundaries, namely presence of CpG islands and SINE elements, and enrichment in CTCF and H3K4me3 binding. Cross-species comparisons reveal that regions orthologous to BOS also correspond with boundaries of large (400-600kb) TADs in human and other mammalian species. The co-localization of rearrangement breakpoints and TAD boundaries may be due to higher chromatin fragility at these locations and/or increased selective pressure against rearrangements that disrupt TAD integrity. We also examine the small portion of BOS that did not overlap with TAD boundaries and gave rise to novel TADs in the gibbon genome. We postulate that these new TADs generally lack deleterious consequences. Lastly, we show that limited epigenetic homogenization occurs across breakpoints, irrespective of their time of occurrence in the gibbon lineage. Overall, our findings demonstrate remarkable conservation of chromatin interactions and epigenetic landscape in gibbons, in spite of extensive genomic shuffling.

High-throughput short-read sequencing has revolutionized how transcriptomes are quantified and annotated. However, while Illumina short-read sequencers can be used to analyze entire transcriptomes down to the level of individual splicing events with great accuracy, they fall short of analyzing how these individual events are combined into complete RNA transcript isoforms. Because of this shortfall, long-read sequencing is required to complement short-read sequencing to analyze transcriptomes on the level of full-length RNA transcript isoforms. However, there are issues with both Pacific Biosciences (PacBio) and Oxford Nanopore Technologies (ONT) long-read sequencing technologies that prevent their widespread adoption. Briefly, PacBio sequencers produce low numbers of reads with high accuracy, while ONT sequencers produce higher numbers of reads with lower accuracy. Here we introduce and validate a new long-read ONT based sequencing method. At the same cost, our Rolling Circle Amplification to Concatemeric Consensus (R2C2) method generates more accurate reads of full-length RNA transcript isoforms than any other available long-read sequencing method. These reads can then be used to generate isoform-level transcriptomes for both genome annotation and differential expression analysis in bulk or single cell samples.

Abstract High-quality and complete reference genome assemblies are fundamental for the application of genomics to biology, disease, and biodiversity conservation. However, such assemblies are only available for a few non-microbial species 1–4 . To address this issue, the international Genome 10K (G10K) consortium 5,6 has worked over a five-year period to evaluate and develop cost-effective methods for assembling the most accurate and complete reference genomes to date. Here we summarize these developments, introduce a set of quality standards, and present lessons learned from sequencing and assembling 16 species representing major vertebrate lineages (mammals, birds, reptiles, amphibians, teleost fishes and cartilaginous fishes). We confirm that long-read sequencing technologies are essential for maximizing genome quality and that unresolved complex repeats and haplotype heterozygosity are major sources of error in assemblies. Our new assemblies identify and correct substantial errors in some of the best historical reference genomes. Adopting these lessons, we have embarked on the Vertebrate Genomes Project (VGP), an effort to generate high-quality, complete reference genomes for all ~70,000 extant vertebrate species and help enable a new era of discovery across the life sciences.