Rabbits softly swept to domestication When people domesticate animals, they select for tameness and tolerance of humans. What else do they look for? To identify the selective pressures that led to rabbit domestication, Carneiro et al. sequenced a domestic rabbit genome and compared it to that of its wild brethren (see the Perspective by Lohmueller). Domestication did not involve a single gene changing, but rather many gene alleles changing in frequency between tame and domestic rabbits, known as a soft selective sweep. Many of these alleles have changes that may affect brain development, supporting the idea that tameness involves changes at multiple loci. Science , this issue p. 1074 ; see also p. 1000

It is now possible to perform whole-genome shotgun sequencing as well as capture of specific genomic regions for extinct organisms. However, targeted resequencing of large parts of nuclear genomes has yet to be demonstrated for ancient DNA. Here we show that hybridization capture on microarrays can successfully recover more than a megabase of target regions from Neandertal DNA even in the presence of ~99.8% microbial DNA. Using this approach, we have sequenced ~14,000 protein-coding positions inferred to have changed on the human lineage since the last common ancestor shared with chimpanzees. By generating the sequence of one Neandertal and 50 present-day humans at these positions, we have identified 88 amino acid substitutions that have become fixed in humans since our divergence from the Neandertals.

Abstract Trans -acting DNA variants may specifically affect mRNA or protein levels of genes located throughout the genome. However, prior work compared trans -acting loci mapped in studies performed separately or with limited statistical power. Here, we developed a CRISPR-based system for simultaneous quantification of mRNA and protein of a given gene via dual fluorescent reporters in single, live cells of the yeast Saccharomyces cerevisiae . In large populations of recombinant cells from a cross between two genetically divergent strains, we mapped 86 trans -acting loci affecting the expression of ten genes. Less than 20% of these loci had concordant effects on mRNA and protein of the same gene. Most loci influenced protein but not mRNA of a given gene. One such locus harbored a premature stop variant in the YAK1 kinase gene that had specific effects on protein or mRNA of dozens of genes. These results demonstrate complex, post-transcriptional genetic effects on gene expression. One sentence summary A CRISPR-based dual reporter assay enables genetic mapping of DNA variants that specifically affect mRNA or protein levels in trans .

Human milk is a complex mix of nutritional and bioactive components that provide complete nourishment for the infant. However, we lack a systematic knowledge of the factors shaping milk composition and how milk variation influences infant health. Here, we characterize relationships between maternal genetics, milk gene expression, milk composition, and the infant fecal microbiome in up to 310 exclusively breastfeeding mother-infant pairs. We identified 482 genetic loci associated with milk gene expression unique to the lactating mammary gland and link these loci to breast cancer risk and human milk oligosaccharide concentration. Integrative analyses uncovered connections between milk gene expression and infant gut microbiome, including an association between the expression of inflammation-related genes with milk interleukin-6 (IL-6) concentration and the abundance of Bifidobacterium and Escherichia in the infant gut. Our results show how an improved understanding of the genetics and genomics of human milk connects lactation biology with maternal and infant health.

Abstract DNA variants that alter gene expression contribute to variation in many phenotypic traits. In particular, trans -acting variants, which are often located on different chromosomes from the genes they affect, are an important source of heritable gene expression variation. However, our knowledge about the identity and mechanism of causal trans -acting variants remains limited. Here, we developed a fine-mapping strategy called CRISPR-Swap and dissected three expression quantitative trait locus (eQTL) hotspots known to alter the expression of numerous genes in trans in the yeast Saccharomyces cerevisiae . Causal variants were identified by engineering recombinant alleles and quantifying the effects of these alleles on the expression of a green fluorescent protein-tagged gene affected by the given locus in trans . We validated the effect of each variant on the expression of multiple genes by RNA-sequencing. The three variants were strikingly different in their molecular mechanism, the type of genes they reside in, and their distribution in natural populations. While a missense leucine-to-serine variant at position 63 in the transcription factor Oaf1 (L63S) was almost exclusively present in the reference laboratory strain, the two other variants were frequent among S. cerevisiae isolates. A causal missense variant in the glucose receptor Rgt2 (V539I) occurred at a poorly conserved amino acid residue and its effect was strongly dependent on the concentration of glucose in the culture medium. A noncoding variant in the conserved fatty acid regulated (FAR) element of the OLE1 promoter influenced the expression of the fatty acid desaturase Ole1 in cis and, by modulating the level of this essential enzyme, other genes in trans . The OAF1 and OLE1 variants showed a non-additive genetic interaction, and affected cellular lipid metabolism. These results revealed remarkable diversity in the molecular basis of trans -regulatory variation, highlighting the challenges in predicting which natural genetic variants affect gene expression. Author summary Differences in the DNA sequence of individual genomes contribute to differences in many traits, such as appearance, physiology, and the risk for common diseases. An important group of these DNA variants influences how individual genes across the genome are turned on or off. In this paper, we describe a strategy for identifying such “ trans -acting” variants in different strains of baker’s yeast. We used this strategy to reveal three single DNA base changes that each influences the expression of dozens of genes. These three DNA variants were very different from each other. Two of them changed the protein sequence, one in a transcription factor and the other in a sugar sensor. The third changed the expression of an enzyme, a change that in turn caused other genes to alter their expression. One variant existed in only a few yeast isolates, while the other two existed in many isolates collected from around the world. This diversity of DNA variants that influence the expression of many other genes illustrates how difficult it is to predict which DNA variants in an individual’s genome will have effects on the organism.

Abstract Ubiquitin-proteasome system (UPS) protein degradation regulates protein abundance and eliminates mis-folded and damaged proteins from eukaryotic cells. Variation in UPS activity influences numerous cellular and organismal phenotypes. However, to what extent such variation results from individual genetic differences is almost entirely unknown. Here, we developed a statistically powerful mapping approach to characterize the genetic basis of variation in UPS activity. Using the yeast Saccharomyces cerevisiae , we systematically mapped genetic influences on the N-end rule, a UPS pathway that recognizes N-degrons, degradation-promoting signals in protein N-termini. We identified 149 genomic loci that influence UPS activity across the complete set of N-degrons. Resolving four loci to individual causal nucleotides identified regulatory and missense variants in ubiquitin system genes whose products process ( NTA1 ), recognize ( UBR1 and DOA10 ), and ubiquitinate ( UBC6 ) cellular proteins. Each of these genes contained multiple causal variants and several individual variants had substrate-specific effects on UPS activity. A cis -acting promoter variant that modulates UPS activity by altering UBR1 expression also alters the abundance of 36 proteins without affecting levels of the corresponding mRNAs. Our results demonstrate that natural genetic variation shapes the full sequence of molecular events in protein ubiquitination and implicate genetic influences on the UPS as a prominent source of post-translational variation in gene expression.

Abstract Protein degradation is an essential biological process that regulates protein abundance and removes misfolded and damaged proteins from cells. In eukaryotes, most protein degradation occurs through the stepwise actions of two functionally distinct entities, the ubiquitin system and the proteasome. Ubiquitin system enzymes attach ubiquitin to cellular proteins, targeting them for degradation. The proteasome then selectively binds and degrades ubiquitinated substrate proteins. Genetic variation in ubiquitin system genes creates heritable differences in the degradation of their substrates. However, the challenges of measuring the degradative activity of the proteasome independently of the ubiquitin system in large samples have limited our understanding of genetic influences on the proteasome. Here, using the yeast Saccharomyces cerevisiae , we built and characterized reporters that provide high-throughput, ubiquitin system-independent measurements of proteasome activity. Using single-cell measurements of proteasome activity from millions of genetically diverse yeast cells, we mapped 15 loci across the genome that influence proteasomal protein degradation. Twelve of these 15 loci exerted specific effects on the degradation of two distinct proteasome substrates, revealing a high degree of substrate-specificity in the genetics of proteasome activity. Using CRISPR-Cas9-based allelic engineering, we resolved a locus to a causal variant in the promoter of RPT6 , a gene that encodes a subunit of the proteasome’s 19S regulatory particle. Our results reveal the complex genetic architecture of proteasome activity and suggest that genetic influences on the proteasome may be an important source of variation in the many cellular and organismal traits shaped by protein degradation. Author Summary Protein degradation controls the abundance of cellular proteins and serves an essential role in protein quality control by eliminating misfolded and damaged proteins. In eukaryotes, most protein degradation occurs in two steps. The ubiquitin system first targets proteins for degradation by attaching ubiquitin to them. The proteasome then selectively binds and degrades ubiquitinated proteins. Understanding how individual genetic differences affect the activity of the proteasome could improve our understanding of the many traits influenced by protein degradation. However, most assays that measure proteasomal protein degradation are not suitable for use in large samples or are affected by changes in the activity of the ubiquitin system. Using yeast, we built reporters that provide high-throughput measurements of proteasome activity independently of the ubiquitin system. We used measurements of proteasome activity from millions of live, single cells to identify regions of the genome with DNA variants that affect proteasomal protein degradation. We identified 15 such regions, showing that proteasome activity is a genetically complex trait. Using genome engineering, we found that one locus contained a variant in the promoter of a proteasome subunit gene that affected the activity of the proteasome towards multiple substrates. Our results demonstrate that individual genetic differences shape proteasome activity and suggest that these differences may contribute to variation in the many traits regulated by protein degradation.

The establishment of the gut microbiome in early life is critical for healthy infant development. Although human milk is recommended as the sole source of nutrition for the human infant, little is known about how variation in milk composition, and especially the milk microbiome, shapes the microbial communities in the infant gut. Here, we quantified the similarity between the maternal milk and the infant gut microbiome using 507 metagenomic samples collected from 195 mother-infant pairs at one, three, and six months postpartum. We found that the microbial taxonomic overlap between milk and the infant gut was driven by bifidobacteria, in particular by

Many DNA sequence variants influence phenotypes by altering gene expression. Our understanding of these variants is limited by sample sizes of current studies and by measurements of mRNA rather than protein abundance. We developed a powerful method for identifying genetic loci that influence protein expression in very large populations of the yeast Saccharomyes cerevisiae. The method measures single-cell protein abundance through the use of green-fluorescent-protein tags. We applied this method to 160 genes and detected many more loci per gene than previous studies. We also observed closer correspondence between loci that influence protein abundance and loci that influence mRNA abundance of a given gene. Most loci cluster at hotspot locations that influence multiple proteins—in some cases, more than half of those examined. The variants that underlie these hotspots have profound effects on the gene regulatory network and provide insights into genetic variation in cell physiology between yeast strains.