Species within nearly all extant animal lineages are capable of regenerating body parts. However, it remains unclear whether the gene expression programme controlling regeneration is evolutionarily conserved. Brittle stars are a species-rich class of echinoderms with outstanding regenerative abilities, but investigations into the genetic bases of regeneration in this group have been hindered by the limited genomic resources. Here we report a chromosome-scale genome assembly for the brittle star Amphiura filiformis. We show that the brittle star genome is the most rearranged among echinoderms sequenced so far, featuring a reorganized Hox cluster reminiscent of the rearrangements observed in sea urchins. In addition, we performed an extensive profiling of gene expression during brittle star adult arm regeneration and identified sequential waves of gene expression governing wound healing, proliferation and differentiation. We conducted comparative transcriptomic analyses with other invertebrate and vertebrate models for appendage regeneration and uncovered hundreds of genes with conserved expression dynamics, particularly during the proliferative phase of regeneration. Our findings emphasize the crucial importance of echinoderms to detect long-range expression conservation between vertebrates and classical invertebrate regeneration model systems.

Abstract Teleost fishes are ancient tetraploids stemming from an ancestral whole-genome duplication that may have contributed to the impressive diversification of this clade. Whole-genome duplications can occur via self-doubling (autopolyploidy) or via hybridization between different species (allopolyploidy). The mode of tetraploidization conditions evolutionary processes by which duplicated genomes return to a diploid state through meiosis resolution and subsequent genetic divergence (cytological and genetic rediploidization). How teleosts became tetraploid remains unresolved, leaving a fundamental gap to interpret their functional evolution. As legacy of the whole genome duplication, identifying orthologous and paralogous genomic regions across teleosts is challenging, hindering genome-wide investigations into their polyploid history. Here, we combine tailored gene phylogeny methodology together with a state-of-the-art ancestral karyotype reconstruction to establish the first high-resolution comparative atlas of paleopolyploid regions across 74 teleost genomes. We then leverage this atlas to investigate how rediploidization occurred in teleosts at the genome-wide level. We uncover that some duplicated regions maintained tetraploidy for over 60 million years, with three chromosome pairs diverging genetically only after the separation of major teleost families. This evidence suggests that the teleost ancestor was an autopolyploid. Further, we find evidence for biased gene retention along several duplicated chromosomes, contradicting current paradigms that asymmetrical evolution is specific to allopolyploids. Altogether, our results offer novel insights into genome evolutionary dynamics following ancient polyploidizations in vertebrates.

In the nucleus of eukaryotic cells, genomic DNA associates with numerous protein complexes and RNAs, forming the chromatin landscape. Through a genome-wide study of chromatin-associated proteins in Drosophila cells, five major chromatin types were identified as a refinement of the traditional binary division into hetero- and euchromatin. These five types were given colour names in reference to the Greek word chroma. They are defined by distinct but overlapping combinations of proteins and differ in biological and biochemical properties, including transcriptional activity, replication timing, and histone modifications. In this work, we assess the evolutionary relationships of chromatin associated proteins and present an integrated view of the evolution and conservation of the fruit fly D. melanogaster chromatin landscape. We combine homology prediction across a wide range of species with gene age inference methods to determine the origin of each chromatin-associated protein. This provides insight into the evolution of the different chromatin types. Our results indicate that for the euchromatic types, YELLOW and RED, young associated proteins are more specialized than old ones. And for genes found in either chromatin type, intron/exon structure is lineage-specific. Next, we provide evidence that a subset of GREEN-associated proteins is involved in a centromere drive in D. melanogaster. Our results on BLUE chromatin support the hypothesis that the emergence of Polycomb Group proteins is linked to eukaryotic multicellularity. In light of these results, we discuss how the regulatory complexification of chromatin links to the origins of eukaryotic multicellularity.

Whole genome duplications (WGD) have major impacts on the evolution of species, as they produce new gene copies contributing substantially to adaptation, isolation, phenotypic robustness, and evolvability. They result in large, complex gene families with recurrent gene losses in descendant species that sequence-based phylogenetic methods fail to reconstruct accurately. As a result, orthologs and paralogs are difficult to identify reliably in WGD-descended species, which hinders the exploration of functional consequences of WGDs. Here we present SCORPiOs, a novel method to reconstruct gene phylogenies in the context of a known WGD event. WGDs generate large duplicated syntenic regions, which SCORPiOs systematically leverages as a complement to sequence evolution to infer the evolutionary history of genes. We applied SCORPiOs to the 320-million-year-old WGD at the origin of teleost fish. We find that almost one in four teleost gene phylogenies in the Ensembl database (3,391) are inconsistent with their syntenic contexts. For 70% of these gene families (2,387), we were able to propose an improved phylogenetic tree consistent with both the molecular substitution distances and the local syntenic information. We show that these synteny-guided phylogenies are more congruent with the species tree, with sequence evolution and with expected expression conservation patterns than those produced by state-of-the-art methods. Finally, we show that synteny-guided gene trees emphasize contributions of WGD paralogs to evolutionary innovations in the teleost clade.

As the only surviving lineages of jawless fishes, hagfishes and lampreys provide a critical window into early vertebrate evolution. Here, we investigate the complex history, timing, and functional role of genome-wide duplications in vertebrates in the light of a chromosome-scale genome of the brown hagfish Eptatretus atami. Using robust chromosome-scale (paralogon-based) phylogenetic methods, we confirm the monophyly of cyclostomes, document an auto-tetraploidization (1RV) that predated the origin of crown group vertebrates ~517 Mya, and establish the timing of subsequent independent duplications in the gnathostome and cyclostome lineages. Some 1RV gene duplications can be linked to key vertebrate innovations, suggesting that this early genomewide event contributed to the emergence of pan-vertebrate features such as neural crest. The hagfish karyotype is derived by numerous fusions relative to the ancestral cyclostome arrangement preserved by lampreys. These genomic changes were accompanied by the loss of genes essential for organ systems (eyes, osteoclast) that are absent in hagfish, accounting in part for the simplification of the hagfish body plan; other gene family expansions account for hagfishes' capacity to produce slime. Finally, we characterise programmed DNA elimination in somatic cells of hagfish, identifying protein-coding and repetitive elements that are deleted during development. As in lampreys, the elimination of these genes provides a mechanism for resolving genetic conflict between soma and germline by repressing germline/pluripotency functions. Reconstruction of the early genomic history of vertebrates provides a framework for further exploration of vertebrate novelties.

ABSTRACT Changes in gene regulation have long been thought to underlie most phenotypic differences between species. Subterranean rodents, and in particular the naked mole-rat, have attracted substantial attention due to their proposed phenotypic adaptations, which include hypoxia tolerance, metabolic changes and cancer resistance. However, it is largely unknown what regulatory changes may associate with these phenotypic traits, and whether these are unique to the naked mole-rat, the mole-rat clade or also present in other mammals. Here, we investigate regulatory evolution in heart and liver from two African mole-rat species and two rodent outgroups using genome-wide epigenomic profiling. First, we adapted and applied a phylogenetic modeling approach to quantitatively compare epigenomic signals at orthologous regulatory elements, and identified thousands of promoter and enhancer regions with differential epigenomic activity in mole-rats. These elements associate with known mole-rat adaptation in metabolic and functional pathways, and suggest candidate genetic loci that may underlie mole-rat innovations. Second, we evaluated ancestral and species-specific regulatory changes in the study phylogeny, and report several candidate pathways experiencing stepwise remodeling during the evolution of mole-rats – such as the insulin and hypoxia response pathways. Third, we report non-orthologous regulatory elements overlap with lineage-specific repetitive elements and appear to modify metabolic pathways by rewiring of HNF4 and RAR/RXR transcription factor binding sites in mole-rats. These comparative analyses reveal how mole-rat regulatory evolution informs previously reported phenotypic adaptations. Moreover, the phylogenetic modeling framework we propose here improves upon the state-of-the-art by addressing known limitations of inter-species comparisons of epigenomic profiles, and has broad implications in the field of comparative functional genomics.

PIWI-interacting RNAs (piRNAs) target transcripts by sequence complementarity serving as guides for RNA slicing in animal germ cells. The piRNA pathway is increasingly recognized as critical for essential cellular functions such as germline development and reproduction. In the Anopheles gambiae ovary, as much as 11% of piRNAs map to protein-coding genes. Here we show that ovarian mRNAs and long non-coding RNAs (lncRNAs) are processed into piRNAs that can direct other transcripts into the piRNA biogenesis pathway. Targeting piRNAs fuel transcripts either into the ping-pong cycle of piRNA amplification or into the machinery of phased piRNA biogenesis, thereby creating networks of inter-regulating transcripts. RNAs of the same network share related genomic repeats. These repeats give rise to piRNAs, which target other transcripts and lead to a cascade of concerted RNA slicing. While ping-pong networks are based on repeats of several hundred nucleotides, networks that rely on phased piRNA biogenesis operate through short ∼40-nucleotides long repeats, which we named snetDNAs. Interestingly, snetDNAs are recurring in evolution from insects to mammals. Our study brings to light a new type of a conserved regulatory pathway, the snetDNA-pathway, by which short sequences can include independent genes and lncRNAs in the same biological pathway.AUTHOR SUMMARY Small RNA molecules are essential actors in silencing mobile genetic elements in animal germ cells. The 24-29-nucleotide-long Piwi-interacting RNAs (piRNAs) target transcripts by sequence complementarity serving as guides for RNA slicing. Mosquitoes of the Anopheles gambiae species complex are the principal vectors of malaria, and research on their germline is essential to develop new strategies of vector control by acting on reproduction. In the Anopheles gambiae ovary as much as 11% of piRNAs originate from protein-coding genes. We identified piRNAs which are able to target transcripts from several distinct genes or long non-coding RNAs (lncRNAs), bringing together genic transcripts and lncRNAs in a same regulation network. piRNA targeting induces transcript slicing and production of novel piRNAs, which then target other mRNAs and lncRNAs leading again to piRNA processing, thus resulting in a cascade of RNA slicing and piRNA production. Each network relies on piRNAs originating from repeated genetic elements, present in all transcripts of the same network. Some of these repeats are very short, only ∼40-nucleotides long. We identified similar repeats in all 43 animal species that we analysed, including mosquitoes, flies, arachnidae, snail, mouse, rat and human, suggesting that such regulation networks are recurrent, possibly conserved, in evolutionary history.

Species within nearly all extant animal lineages are capable of regenerating body parts. However, it remains unclear whether the gene expression programme controlling regeneration is evolutionarily conserved. Brittle stars are a species-rich class of echinoderms with outstanding regenerative abilities, but investigations into the genetic bases of regeneration in this group have been hindered by the limited available genomic resources. Here, we report a chromosome-scale genome assembly for the brittle star Amphiura filiformis. We show that the brittle star displays the most rearranged genome amongst echinoderms sequenced to date, featuring a reorganised Hox cluster reminiscent of the rearrangements observed in sea urchins. In addition, we performed an extensive profiling of gene expression throughout brittle star adult arm regeneration and identified sequential waves of gene expression governing wound healing, proliferation and differentiation. We conducted comparative transcriptomic analyses with other invertebrate and vertebrate models for appendage regeneration and uncovered hundreds of genes with conserved expression dynamics, notably during the proliferative phase of regeneration. Our findings emphasise the crucial importance of echinoderms to detect long-range expression conservation between vertebrates and classical invertebrate regeneration model systems.