Msh4 (MutS homolog 4) is a member of the mammalian mismatch repair gene family whose members are involved in postreplicative DNA mismatch repair as well as in the control of meiotic recombination. In this report we show that MSH4 has an essential role in the control of male and female meiosis. We demonstrate that MSH4 is present in the nuclei of spermatocytes early in prophase I and that it forms discrete foci along meiotic chromosomes during the zygotene and pachytene stages of meiosis. Disruption of the Msh4 gene in mice results in male and female sterility due to meiotic failure. Although meiosis is initiated in Msh4 mutant male and female mice, as indicated by the chromosomal localization of RAD51 and COR1 during leptonema/zygonema, the chromosomes fail to undergo normal pairing. Our results show that MSH4 localization on chromosomes during the early stages of meiosis is essential for normal chromosome synapsis in prophase I and that it acts in the same pathway as MSH5.

SUMMARY Sex chromosomes fall into three classes: XX/XY, ZW/ZZ and U/V systems. The rise, evolution and demise of U/V systems have remained enigmatic to date. Here, we analyze genomes spanning the entire brown algal phylogeny to decipher their sex-determination evolutionary history. The birth of U/V sex chromosomes evolved more than 250 million years ago, when a pivotal male-determinant located in a discrete region in proto-U and proto-V chromosomes ceased recombining. Over time, nested inversions led to step-wise expansions, accompanying increasing morphological complexity and sexual differentiation of brown seaweeds. Unlike XX/XY and ZW/ZZ, U/V evolve mainly by gene gain, showing minimal degeneration. They are structurally dynamic, and act as genomic ’cradles’ fostering the birth of new genes. Our analyses show that hermaphroditism arose from ancestral males that acquired U-specific genes by ectopic recombination, and that in the transition from a U/V to an XX/XY system, V-specific genes moved down the genetic hierarchy of sex determination. Both events lead to the demise of U and V and erosion of their specific genomic characteristics. Taken together, our findings offer a comprehensive model of U/V sex chromosome evolution. HIGHLIGHTS Sexes arose in brown algae due to ceased recombination of a male-determining gene-containing region U/V sex chromosomes evolve via gene gain and act as ‘cradles’ of genomic novelty Emergence of XX/XY chromosomes involved demotion of the V-master sex-determining gene Introgression of female-specific genes into a male background allowed hermaphroditism to arise

Abstract Sex chromosomes are unique genomic regions displaying structural and evolutionary features that distinguish them markedly from autosomes. Although nuclear three dimensional (3D) folding of chromatin structure is im-portant for gene expression regulation and correct developmental programs, very little is known about the 3D architecture of sex chromosomes within the nucleus, and how that impacts their function in sex determination. Here, we determine the sex-specific 3D organization of the model brown alga Ectocarpus chromosomes at 2 kb resolution, by comprehensively mapping long-range chromosomal interactions using Hi-C coupled with Oxford Nanopore long reads. We report that Ectocarpus interphase chromatin exhibits a non-Rabl conformation, with strong contacts among telomeres and among centromeres, which feature centromere-specific LTR retrotranspos-ons. The Ectocarpus chromosomes do not contain large local interactive domains that resemble TADs described in animals, but their 3D genome organization is largely shaped by post-translational modifications of histone pro-teins that regulate chromatin compaction and mediate transcriptional regulation. We describe the spatial confor-mation and sub-nuclear positioning of the sex determining region (SDR) within the U and V chromosomes and show that these regions are very insulated and span the centromeres. Moreover, we link sex-specific chromatin dynamics and gene expression levels to the 3D chromatin structure of U and V chromosomes. Finally, we uncover the unique conformation of a large genomic region on chromosome 6 harboring an endogenous viral element (EVE), providing insights regarding the functional significance of the chromatin organisation of latent giant dsDNA virus.