The history of African indigenous cattle and their adaptation to environmental and human selection pressure is at the root of their remarkable diversity. Characterization of this diversity is an essential step towards understanding the genomic basis of productivity and adaptation to survival under African farming systems. We analyze patterns of African cattle genetic variation by sequencing 48 genomes from five indigenous populations and comparing them to the genomes of 53 commercial taurine breeds. We find the highest genetic diversity among African zebu and sanga cattle. Our search for genomic regions under selection reveals signatures of selection for environmental adaptive traits. In particular, we identify signatures of selection including genes and/or pathways controlling anemia and feeding behavior in the trypanotolerant N’Dama, coat color and horn development in Ankole, and heat tolerance and tick resistance across African cattle especially in zebu breeds. Our findings unravel at the genome-wide level, the unique adaptive diversity of African cattle while emphasizing the opportunities for sustainable improvement of livestock productivity on the continent.

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.

Summary Mitochondrial dysfunction has been implicated in various pathologies, including muscular dystrophies. During muscle regeneration, resident stem cells, also known as muscle satellite cells (MuSCs), undergo myogenic differentiation to form de novo myofibers or fuse to existing syncytia. Leveraging this cell-cell fusion process, we postulated that mitochondria stemming from MuSCs could be transferred to myofibers during muscle regeneration to remodel the mitochondrial network and restore bioenergetic function. Here, we report that dystrophic MuSCs manifest significant mitochondrial dysfunction and fuse with existing dystrophic myofibers to propagate mitochondrial dysfunction during muscle repair. We demonstrate that by transplanting healthy donor MuSCs into dystrophic host muscle, the mitochondrial network (reticulum) and bioenergetic function can be rejuvenated. Conversely, when bioenergetically-compromised donor MuSCs are transplanted, improvements in mitochondrial organization and bioenergetic function were ablated in the dystrophic recipient. Overall, these data reveal a unique role of muscle stem cells as an essential regulator of myofiber mitochondrial homeostasis and a potential therapeutic target against mitochondrial myopathies.

SUMMARY Throughout life, skeletal muscle, the arbiter of voluntary movements, is maintained by a population of skeletal muscle-dedicated stem cells, called muscle satellite cells (MuSCs). Similar to other adult stem cells, the function of MuSCs is tightly coordinated by the cellular and acellular components of their microenvironment, or the niche. While the processes that control the coupling of neurotransmission and muscle contraction have been well characterized, little is known on the reciprocal crosstalk between neural cells and MuSCs within the muscle microenvironment. Here, we report that mild peripheral nerve injury enhances MuSC myogenic function and muscle regeneration by synergistically augmenting MuSC mitochondrial bioenergetics and upregulating anabolic protein synthesis pathways. We also demonstrate that chronic disruption or degeneration of neuromuscular synapses, such as in muscular dystrophy and biological aging, abolishes MuSC and motor neuron interactions, causing significant deficits in muscle regeneration following injury. These results underscore the importance of neuromuscular junction and neural network as an essential niche of MuSCs. Determining the significance of MuSC-nerve interactions and their functional outcomes, as well as the possibility of modulating these connections, have important implications for our understanding of neuromuscular disease pathology and development of therapeutic interventions. Highlights Mild peripheral nerve injury increases muscle stem cell bioavailability of healthy muscle. Nerve perturbation stimulates myogenesis by enhancing protein synthesis and mitochondrial metabolism in young, healthy muscle. Synergistic crosstalk within neuromuscular niche boosts muscle regeneration in young, healthy muscle. Positive influences from the neural network on muscle stem cells are abolished in pathological denervation manifested in dystrophic and aging muscle.

ABSTRACT DNA methylation is known to play critical roles in key biological processes. Most of our knowledge on regulatory impacts of DNA methylation has come from laboratory-bred model organisms, which may not exhibit the full extent of variation found in wild populations. Here, we investigated naturally-occurring variation in DNA methylation in a wild avian species, the white-throated sparrow ( Zonotrichia albicollis ). This species offers exceptional opportunities for studying the link between genetic differentiation and phenotypic traits because of a non-recombining chromosome pair linked to both plumage and behavioral phenotypes. Using novel single-nucleotide resolution methylation maps and gene expression data, we show that DNA methylation and the expression of DNA methyltransferases are significantly higher in adults than in nestlings. Genes for which DNA methylation varied between nestlings and adults were implicated in development and cell differentiation and were located throughout the genome. In contrast, differential methylation between plumage morphs was localized to the non-recombining chromosome pair. One subset of CpGs on the non-recombining chromosome was extremely hypomethylated and localized to transposable elements. Changes in methylation predicted changes in gene expression for both chromosomes. In summary, we demonstrate changes in genome-wide DNA methylation that are associated with development and with specific functional categories of genes in white-throated sparrows. Moreover, we observe substantial DNA methylation reprogramming associated with the suppression of recombination, with implications for genome integrity and gene expression divergence. These results offer an unprecedented view of ongoing epigenetic reprogramming in a wild population.

Segmental duplications (SDs) contribute significantly to human disease, evolution, and diversity yet have been difficult to resolve at the sequence level. We present a population genetics survey of SDs by analyzing 170 human genome assemblies where the majority of SDs are fully resolved using long-read sequence assembly. Excluding the acrocentric short arms, we identify 173.2 Mbp of duplicated sequence (47.4 Mbp not present in the telomere-to-telomere reference) distinguishing fixed from structurally polymorphic events. We find that intrachromosomal SDs are among the most variable with rare events mapping near their progenitor sequences. African genomes harbor significantly more intrachromosomal SDs and are more likely to have recently duplicated gene families with higher copy number when compared to non-African samples. A comparison to a resource of 563 million full-length Iso-Seq reads identifies 201 novel, potentially protein-coding genes corresponding to these copy number polymorphic SDs.

We present haplotype-resolved reference genomes and comparative analyses of six ape species, namely: chimpanzee, bonobo, gorilla, Bornean orangutan, Sumatran orangutan, and siamang. We achieve chromosome-level contiguity with unparalleled sequence accuracy (<1 error in 500,000 base pairs), completely sequencing 215 gapless chromosomes telomere-to-telomere. We resolve challenging regions, such as the major histocompatibility complex and immunoglobulin loci, providing more in-depth evolutionary insights. Comparative analyses, including human, allow us to investigate the evolution and diversity of regions previously uncharacterized or incompletely studied without bias from mapping to the human reference. This includes newly minted gene families within lineage-specific segmental duplications, centromeric DNA, acrocentric chromosomes, and subterminal heterochromatin. This resource should serve as a definitive baseline for all future evolutionary studies of humans and our closest living ape relatives.

ABSTRACT Using five complementary short- and long-read sequencing technologies, we phased and assembled >95% of each diploid human genome in a four-generation, 28-member family (CEPH 1463) allowing us to systematically assess de novo mutations (DNMs) and recombination. From this family, we estimate an average of 192 DNMs per generation, including 75.5 de novo single-nucleotide variants (SNVs), 7.4 non-tandem repeat indels, 79.6 de novo indels or structural variants (SVs) originating from tandem repeats, 7.7 centromeric de novo SVs and SNVs, and 12.4 de novo Y chromosome events per generation. STRs and VNTRs are the most mutable with 32 loci exhibiting recurrent mutation through the generations. We accurately assemble 288 centromeres and six Y chromosomes across the generations, documenting de novo SVs, and demonstrate that the DNM rate varies by an order of magnitude depending on repeat content, length, and sequence identity. We show a strong paternal bias (75-81%) for all forms of germline DNM, yet we estimate that 17% of de novo SNVs are postzygotic in origin with no paternal bias. We place all this variation in the context of a high-resolution recombination map (∼3.5 kbp breakpoint resolution). We observe a strong maternal recombination bias (1.36 maternal:paternal ratio) with a consistent reduction in the number of crossovers with increasing paternal (r=0.85) and maternal (r=0.65) age. However, we observe no correlation between meiotic crossover locations and de novo SVs, arguing against non-allelic homologous recombination as a predominant mechanism. The use of multiple orthogonal technologies, near-telomere-to-telomere phased genome assemblies, and a multi-generation family to assess transmission has created the most comprehensive, publicly available “truth set” of all classes of genomic variants. The resource can be used to test and benchmark new algorithms and technologies to understand the most fundamental processes underlying human genetic variation.

Apes possess two sex chromosomes—the male-specific Y and the X shared by males and females. The Y chromosome is crucial for male reproduction, with deletions linked to infertility. The X chromosome carries genes vital for reproduction and cognition. Variation in mating patterns and brain function among great apes suggests corresponding differences in their sex chromosome structure and evolution. However, due to their highly repetitive nature and incomplete reference assemblies, ape sex chromosomes have been challenging to study. Here, using the state-of-the-art experimental and computational methods developed for the telomere-to-telomere (T2T) human genome, we produced gapless, complete assemblies of the X and Y chromosomes for five great apes (chimpanzee, bonobo, gorilla, Bornean and Sumatran orangutans) and a lesser ape, the siamang gibbon. These assemblies completely resolved ampliconic, palindromic, and satellite sequences, including the entire centromeres, allowing us to untangle the intricacies of ape sex chromosome evolution. We found that, compared to the X, ape Y chromosomes vary greatly in size and have low alignability and high levels of structural rearrangements. This divergence on the Y arises from the accumulation of lineage-specific ampliconic regions and palindromes (which are shared more broadly among species on the X) and from the abundance of transposable elements and satellites (which have a lower representation on the X). Our analysis of Y chromosome genes revealed lineage-specific expansions of multi-copy gene families and signatures of purifying selection. In summary, the Y exhibits dynamic evolution, while the X is more stable. Finally, mapping short-read sequencing data from >100 great ape individuals revealed the patterns of diversity and selection on their sex chromosomes, demonstrating the utility of these reference assemblies for studies of great ape evolution. These complete sex chromosome assemblies are expected to further inform conservation genetics of nonhuman apes, all of which are endangered species.