Language is a uniquely human trait likely to have been a prerequisite for the development of human culture. The ability to develop articulate speech relies on capabilities, such as fine control of the larynx and mouth1, that are absent in chimpanzees and other great apes. FOXP2 is the first gene relevant to the human ability to develop language2. A point mutation in FOXP2 co-segregates with a disorder in a family in which half of the members have severe articulation difficulties accompanied by linguistic and grammatical impairment3. This gene is disrupted by translocation in an unrelated individual who has a similar disorder. Thus, two functional copies of FOXP2 seem to be required for acquisition of normal spoken language. We sequenced the complementary DNAs that encode the FOXP2 protein in the chimpanzee, gorilla, orang-utan, rhesus macaque and mouse, and compared them with the human cDNA. We also investigated intraspecific variation of the human FOXP2 gene. Here we show that human FOXP2 contains changes in amino-acid coding and a pattern of nucleotide polymorphism, which strongly suggest that this gene has been the target of selection during recent human evolution.

Meiotic recombination events cluster into narrow segments of the genome, defined as hotspots. Here, we demonstrate that a major player for hotspot specification is the Prdm9 gene. First, two mouse strains that differ in hotspot usage are polymorphic for the zinc finger DNA binding array of PRDM9. Second, the human consensus PRDM9 allele is predicted to recognize the 13-mer motif enriched at human hotspots; this DNA binding specificity is verified by in vitro studies. Third, allelic variants of PRDM9 zinc fingers are significantly associated with variability in genome-wide hotspot usage among humans. Our results provide a molecular basis for the distribution of meiotic recombination in mammals, in which the binding of PRDM9 to specific DNA sequences targets the initiation of recombination at specific locations in the genome.

Understanding why some species have more genetic diversity than others is central to the study of ecology and evolution, and carries potentially important implications for conservation biology. Yet not only does this question remain unresolved, it has largely fallen into disregard. With the rapid decrease in sequencing costs, we argue that it is time to revive it.

Abstract In Drosophila and humans, there are accumulating examples of loci with a significant excess of high-frequency-derived alleles or high levels of linkage disequilibrium, relative to a neutral model of a random-mating population of constant size. These are features expected after a recent selective sweep. Their prevalence suggests that positive directional selection may be widespread in both species. However, as I show here, these features do not persist long after the sweep ends: The high-frequency alleles drift to fixation and no longer contribute to polymorphism, while linkage disequilibrium is broken down by recombination. As a result, loci chosen without independent evidence of recent selection are not expected to exhibit either of these features, even if they have been affected by numerous sweeps in their genealogical history. How then can we explain the patterns in the data? One possibility is population structure, with unequal sampling from different subpopulations. Alternatively, positive selection may not operate as is commonly modeled. In particular, the rate of fixation of advantageous mutations may have increased in the recent past.

Efforts to identify the genetic basis of human adaptations from polymorphism data have sought footprints of "classic selective sweeps" (in which a beneficial mutation arises and rapidly fixes in the population).Yet it remains unknown whether this form of natural selection was common in our evolution. We examined the evidence for classic sweeps in resequencing data from 179 human genomes. As expected under a recurrent-sweep model, we found that diversity levels decrease near exons and conserved noncoding regions. In contrast to expectation, however, the trough in diversity around human-specific amino acid substitutions is no more pronounced than around synonymous substitutions. Moreover, relative to the genome background, amino acid and putative regulatory sites are not significantly enriched in alleles that are highly differentiated between populations. These findings indicate that classic sweeps were not a dominant mode of human adaptation over the past ~250,000 years.

Olfactory receptor (OR) genes constitute the molecular basis for the sense of smell and are encoded by the largest gene family in mammalian genomes. Previous studies suggested that the proportion of pseudogenes in the OR gene family is significantly larger in humans than in other apes and significantly larger in apes than in the mouse. To investigate the process of degeneration of the olfactory repertoire in primates, we estimated the proportion of OR pseudogenes in 19 primate species by surveying randomly chosen subsets of 100 OR genes from each species. We find that apes, Old World monkeys and one New World monkey, the howler monkey, have a significantly higher proportion of OR pseudogenes than do other New World monkeys or the lemur (a prosimian). Strikingly, the howler monkey is also the only New World monkey to possess full trichromatic vision, along with Old World monkeys and apes. Our findings suggest that the deterioration of the olfactory repertoire occurred concomitant with the acquisition of full trichromatic color vision in primates.

The beneficial substitution of an allele shapes patterns of genetic variation at linked sites. Thus, in principle, adaptations can be mapped by looking for the signature of directional selection in polymorphism data. In practice, such efforts are hampered by the need for an accurate characterization of the demographic history of the species and of the effects of positive selection. In an attempt to circumvent these difficulties, researchers are increasingly taking a purely empirical approach, in which a large number of genomic regions are ordered by summaries of the polymorphism data, and loci with extreme values are considered to be likely targets of positive selection. We evaluated the reliability of the “empirical” approach, focusing on applications to human data and to maize. To do so, we considered a coalescent model of directional selection in a sensible demographic setting, allowing for selection on standing variation as well as on a new mutation. Our simulations suggest that while empirical approaches will identify several interesting candidates, they will also miss many—in some cases, most—loci of interest. The extent of the trade-off depends on the mode of positive selection and the demographic history of the population. Specifically, the false-discovery rate is higher when directional selection involves a recessive rather than a co-dominant allele, when it acts on a previously neutral rather than a new allele, and when the population has experienced a population bottleneck rather than maintained a constant size. One implication of these results is that, insofar as attributes of the beneficial mutation (e.g., the dominance coefficient) affect the power to detect targets of selection, genomic scans will yield an unrepresentative subset of loci that contribute to adaptations.

Considerable interest is focused on the use of polymorphism data to identify regions of the genome that underlie recent adaptations. These searches are guided by a simple model of positive selection, in which a mutation is favored as soon as it arises. This assumption may not be realistic, as environmental changes and range expansions may lead previously neutral or deleterious alleles to become beneficial. We examine what effect this mode of selection has on patterns of variation at linked neutral sites by implementing a new coalescent model of positive directional selection on standing variation. In this model, a neutral allele arises and drifts in the population, then at frequency f becomes beneficial, and eventually reaches fixation. Depending on the value of f, this scenario can lead to a large variance in allele frequency spectra and in levels of linkage disequilibrium at linked, neutral sites. In particular, for intermediate f, the beneficial substitution often leads to a loss of rare alleles—a pattern that differs markedly from the signature of directional selection currently relied on by researchers. These findings highlight the importance of an accurate characterization of the effects of positive selection, if we are to reliably identify recent adaptations from polymorphism data.

Over the past four decades, the predominant view of molecular evolution saw little connection between natural selection and genome evolution, assuming that the functionally constrained fraction of the genome is relatively small and that adaptation is sufficiently infrequent to play little role in shaping patterns of variation within and even between species. Recent evidence from Drosophila, reviewed here, suggests that this view may be invalid. Analyses of genetic variation within and between species reveal that much of the Drosophila genome is under purifying selection, and thus of functional importance, and that a large fraction of coding and noncoding differences between species are adaptive. The findings further indicate that, in Drosophila, adaptations may be both common and strong enough that the fate of neutral mutations depends on their chance linkage to adaptive mutations as much as on the vagaries of genetic drift. The emerging evidence has implications for a wide variety of fields, from conservation genetics to bioinformatics, and presents challenges to modelers and experimentalists alike.

To investigate the consequences of hybridization between species, we studied three replicate hybrid populations that formed naturally between two swordtail fish species, estimating their fine-scale genetic map and inferring ancestry along the genomes of 690 individuals. In all three populations, ancestry from the "minor" parental species is more common in regions of high recombination and where there is linkage to fewer putative targets of selection. The same patterns are apparent in a reanalysis of human and archaic admixture. These results support models in which ancestry from the minor parental species is more likely to persist when rapidly uncoupled from alleles that are deleterious in hybrids. Our analyses further indicate that selection on swordtail hybrids stems predominantly from deleterious combinations of epistatically interacting alleles.