African trypanosomes cause human sleeping sickness and livestock trypanosomiasis in sub-Saharan Africa. We present the sequence and analysis of the 11 megabase-sized chromosomes of Trypanosoma brucei . The 26-megabase genome contains 9068 predicted genes, including ∼900 pseudogenes and ∼1700 T. brucei –specific genes. Large subtelomeric arrays contain an archive of 806 variant surface glycoprotein (VSG) genes used by the parasite to evade the mammalian immune system. Most VSG genes are pseudogenes, which may be used to generate expressed mosaic genes by ectopic recombination. Comparisons of the cytoskeleton and endocytic trafficking systems with those of humans and other eukaryotic organisms reveal major differences. A comparison of metabolic pathways encoded by the genomes of T. brucei, T. cruzi , and Leishmania major reveals the least overall metabolic capability in T. brucei and the greatest in L. major . Horizontal transfer of genes of bacterial origin has contributed to some of the metabolic differences in these parasites, and a number of novel potential drug targets have been identified.

The ciliate Tetrahymena thermophila is a model organism for molecular and cellular biology. Like other ciliates, this species has separate germline and soma functions that are embodied by distinct nuclei within a single cell. The germline-like micronucleus (MIC) has its genome held in reserve for sexual reproduction. The soma-like macronucleus (MAC), which possesses a genome processed from that of the MIC, is the center of gene expression and does not directly contribute DNA to sexual progeny. We report here the shotgun sequencing, assembly, and analysis of the MAC genome of T. thermophila, which is approximately 104 Mb in length and composed of approximately 225 chromosomes. Overall, the gene set is robust, with more than 27,000 predicted protein-coding genes, 15,000 of which have strong matches to genes in other organisms. The functional diversity encoded by these genes is substantial and reflects the complexity of processes required for a free-living, predatory, single-celled organism. This is highlighted by the abundance of lineage-specific duplications of genes with predicted roles in sensing and responding to environmental conditions (e.g., kinases), using diverse resources (e.g., proteases and transporters), and generating structural complexity (e.g., kinesins and dyneins). In contrast to the other lineages of alveolates (apicomplexans and dinoflagellates), no compelling evidence could be found for plastid-derived genes in the genome. UGA, the only T. thermophila stop codon, is used in some genes to encode selenocysteine, thus making this organism the first known with the potential to translate all 64 codons in nuclear genes into amino acids. We present genomic evidence supporting the hypothesis that the excision of DNA from the MIC to generate the MAC specifically targets foreign DNA as a form of genome self-defense. The combination of the genome sequence, the functional diversity encoded therein, and the presence of some pathways missing from other model organisms makes T. thermophila an ideal model for functional genomic studies to address biological, biomedical, and biotechnological questions of fundamental importance.

Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) is unique among plant model organisms in having a small genome (130–140 Mb), excellent physical and genetic maps, and little repetitive DNA. Here we report the sequence of chromosome 2 from the Columbia ecotype in two gap-free assemblies (contigs) of 3.6 and 16 megabases (Mb). The latter represents the longest published stretch of uninterrupted DNA sequence assembled from any organism to date. Chromosome 2 represents 15% of the genome and encodes 4,037 genes, 49% of which have no predicted function. Roughly 250 tandem gene duplications were found in addition to large-scale duplications of about 0.5 and 4.5 Mb between chromosomes 2 and 1 and between chromosomes 2 and 4, respectively. Sequencing of nearly 2 Mb within the genetically defined centromere revealed a low density of recognizable genes, and a high density and diverse range of vestigial and presumably inactive mobile elements. More unexpected is what appears to be a recent insertion of a continuous stretch of 75% of the mitochondrial genome into chromosome 2.

Parasitic nematodes that cause elephantiasis and river blindness threaten hundreds of millions of people in the developing world. We have sequenced the ∼90 megabase (Mb) genome of the human filarial parasite Brugia malayi and predict ∼11,500 protein coding genes in 71 Mb of robustly assembled sequence. Comparative analysis with the free-living, model nematode Caenorhabditis elegans revealed that, despite these genes having maintained little conservation of local synteny during ∼350 million years of evolution, they largely remain in linkage on chromosomal units. More than 100 conserved operons were identified. Analysis of the predicted proteome provides evidence for adaptations of B. malayi to niches in its human and vector hosts and insights into the molecular basis of a mutualistic relationship with its Wolbachia endosymbiont. These findings offer a foundation for rational drug design.

Resolving genomic structural variation Many human genomes have been reported using short-read technology, but it is difficult to resolve structural variants (SVs) using these data. These genomes thus lack comprehensive comparisons among individuals and populations. Ebert et al. used long-read structural variation calling across 64 human genomes representing diverse populations and developed new methods for variant discovery. This approach allowed the authors to increase the number of confirmed SVs and to describe the patterns of variation across populations. From this dataset, they identified quantitative trait loci affected by these SVs and determined how they may affect gene expression and potentially explain genome-wide association study hits. This information provides insights into patterns of normal human genetic variation and generates reference genomes that better represent the diversity of our species. Science , this issue p. eabf7117

Mutualistic intracellular symbiosis between bacteria and insects is a widespread phenomenon that has contributed to the global success of insects. The symbionts, by provisioning nutrients lacking from diets, allow various insects to occupy or dominate ecological niches that might otherwise be unavailable. One such insect is the glassy-winged sharpshooter (Homalodisca coagulata), which feeds on xylem fluid, a diet exceptionally poor in organic nutrients. Phylogenetic studies based on rRNA have shown two types of bacterial symbionts to be coevolving with sharpshooters: the gamma-proteobacterium Baumannia cicadellinicola and the Bacteroidetes species Sulcia muelleri. We report here the sequencing and analysis of the 686,192–base pair genome of B. cicadellinicola and approximately 150 kilobase pairs of the small genome of S. muelleri, both isolated from H. coagulata. Our study, which to our knowledge is the first genomic analysis of an obligate symbiosis involving multiple partners, suggests striking complementarity in the biosynthetic capabilities of the two symbionts: B. cicadellinicola devotes a substantial portion of its genome to the biosynthesis of vitamins and cofactors required by animals and lacks most amino acid biosynthetic pathways, whereas S. muelleri apparently produces most or all of the essential amino acids needed by its host. This finding, along with other results of our genome analysis, suggests the existence of metabolic codependency among the two unrelated endosymbionts and their insect host. This dual symbiosis provides a model case for studying correlated genome evolution and genome reduction involving multiple organisms in an intimate, obligate mutualistic relationship. In addition, our analysis provides insight for the first time into the differences in symbionts between insects (e.g., aphids) that feed on phloem versus those like H. coagulata that feed on xylem. Finally, the genomes of these two symbionts provide potential targets for controlling plant pathogens such as Xylella fastidiosa, a major agroeconomic problem, for which H. coagulata and other sharpshooters serve as vectors of transmission.

Abstract We sequenced 2.2 Mb representing triplicated genome segments of Brassica oleracea, which are each paralogous with one another and homologous with a segmentally duplicated region of the Arabidopsis thaliana genome. Sequence annotation identified 177 conserved collinear genes in the B. oleracea genome segments. Analysis of synonymous base substitution rates indicated that the triplicated Brassica genome segments diverged from a common ancestor soon after divergence of the Arabidopsis and Brassica lineages. This conclusion was corroborated by phylogenetic analysis of protein families. Using A. thaliana as an outgroup, 35% of the genes inferred to be present when genome triplication occurred in the Brassica lineage have been lost, most likely via a deletion mechanism, in an interspersed pattern. Genes encoding proteins involved in signal transduction or transcription were not found to be significantly more extensively retained than those encoding proteins classified with other functions, but putative proteins predicted in the A. thaliana genome were underrepresented in B. oleracea. We identified one example of gene loss from the Arabidopsis lineage. We found evidence for the frequent insertion of gene fragments of nuclear genomic origin and identified four apparently intact genes in noncollinear positions in the B. oleracea and A. thaliana genomes.

Only five bacterial phyla with members capable of chlorophyll (Chl)–based phototrophy are presently known. Metagenomic data from the phototrophic microbial mats of alkaline siliceous hot springs in Yellowstone National Park revealed the existence of a distinctive bacteriochlorophyll (BChl)–synthesizing, phototrophic bacterium. A highly enriched culture of this bacterium grew photoheterotrophically, synthesized BChls a and c under oxic conditions, and had chlorosomes and type 1 reaction centers. “ Candidatus Chloracidobacterium thermophilum” is a BChl-producing member of the poorly characterized phylum Acidobacteria .

ABSTRACT The complete 2,343,479-bp genome sequence of the gram-negative, pathogenic oral bacterium Porphyromonas gingivalis strain W83, a major contributor to periodontal disease, was determined. Whole-genome comparative analysis with other available complete genome sequences confirms the close relationship between the Cytophaga-Flavobacteria-Bacteroides (CFB) phylum and the green-sulfur bacteria. Within the CFB phyla, the genomes most similar to that of P. gingivalis are those of Bacteroides thetaiotaomicron and B. fragilis . Outside of the CFB phyla the most similar genome to P. gingivalis is that of Chlorobium tepidum , supporting the previous phylogenetic studies that indicated that the Chlorobia and CFB phyla are related, albeit distantly. Genome analysis of strain W83 reveals a range of pathways and virulence determinants that relate to the novel biology of this oral pathogen. Among these determinants are at least six putative hemagglutinin-like genes and 36 previously unidentified peptidases. Genome analysis also reveals that P. gingivalis can metabolize a range of amino acids and generate a number of metabolic end products that are toxic to the human host or human gingival tissue and contribute to the development of periodontal disease.

ABSTRACT The complete genome of Aeromonas hydrophila ATCC 7966 T was sequenced. Aeromonas , a ubiquitous waterborne bacterium, has been placed by the Environmental Protection Agency on the Contaminant Candidate List because of its potential to cause human disease. The 4.7-Mb genome of this emerging pathogen shows a physiologically adroit organism with broad metabolic capabilities and considerable virulence potential. A large array of virulence genes, including some identified in clinical isolates of Aeromonas spp. or Vibrio spp., may confer upon this organism the ability to infect a wide range of hosts. However, two recognized virulence markers, a type III secretion system and a lateral flagellum, that are reported in other A. hydrophila strains are not identified in the sequenced isolate, ATCC 7966 T . Given the ubiquity and free-living lifestyle of this organism, there is relatively little evidence of fluidity in terms of mobile elements in the genome of this particular strain. Notable aspects of the metabolic repertoire of A. hydrophila include dissimilatory sulfate reduction and resistance mechanisms (such as thiopurine reductase, arsenate reductase, and phosphonate degradation enzymes) against toxic compounds encountered in polluted waters. These enzymes may have bioremediative as well as industrial potential. Thus, the A. hydrophila genome sequence provides valuable insights into its ability to flourish in both aquatic and host environments.