The discovery of a living coelacanth specimen in 1938 was remarkable, as this lineage of lobe-finned fish was thought to have become extinct 70 million years ago. The modern coelacanth looks remarkably similar to many of its ancient relatives, and its evolutionary proximity to our own fish ancestors provides a glimpse of the fish that first walked on land. Here we report the genome sequence of the African coelacanth, Latimeria chalumnae. Through a phylogenomic analysis, we conclude that the lungfish, and not the coelacanth, is the closest living relative of tetrapods. Coelacanth protein-coding genes are significantly more slowly evolving than those of tetrapods, unlike other genomic features. Analyses of changes in genes and regulatory elements during the vertebrate adaptation to land highlight genes involved in immunity, nitrogen excretion and the development of fins, tail, ear, eye, brain and olfaction. Functional assays of enhancers involved in the fin-to-limb transition and in the emergence of extra-embryonic tissues show the importance of the coelacanth genome as a blueprint for understanding tetrapod evolution.

Jeramiah Smith, Weiming Li and colleagues report the whole-genome sequence of the sea lamprey, Petromyzon marinus, representing a vertebrate lineage diverged from humans ~500 million years ago. Their analyses define key evolutionary events in vertebrate lineages and provide evidence for two whole-genome duplication events occurring before the divergence of the ancestral lamprey and jawed vertebrate (gnathostome) lineages. Lampreys are representatives of an ancient vertebrate lineage that diverged from our own ∼500 million years ago. By virtue of this deeply shared ancestry, the sea lamprey (P. marinus) genome is uniquely poised to provide insight into the ancestry of vertebrate genomes and the underlying principles of vertebrate biology. Here, we present the first lamprey whole-genome sequence and assembly. We note challenges faced owing to its high content of repetitive elements and GC bases, as well as the absence of broad-scale sequence information from closely related species. Analyses of the assembly indicate that two whole-genome duplications likely occurred before the divergence of ancestral lamprey and gnathostome lineages. Moreover, the results help define key evolutionary events within vertebrate lineages, including the origin of myelin-associated proteins and the development of appendages. The lamprey genome provides an important resource for reconstructing vertebrate origins and the evolutionary events that have shaped the genomes of extant organisms.

In the process of morphological evolution, the extent to which cryptic, preexisting variation provides a substrate for natural selection has been controversial. We provide evidence that heat shock protein 90 (HSP90) phenotypically masks standing eye-size variation in surface populations of the cavefish Astyanax mexicanus. This variation is exposed by HSP90 inhibition and can be selected for, ultimately yielding a reduced-eye phenotype even in the presence of full HSP90 activity. Raising surface fish under conditions found in caves taxes the HSP90 system, unmasking the same phenotypic variation as does direct inhibition of HSP90. These results suggest that cryptic variation played a role in the evolution of eye loss in cavefish and provide the first evidence for HSP90 as a capacitor for morphological evolution in a natural setting.

Natural populations subjected to strong environmental selection pressures offer a window into the genetic underpinnings of evolutionary change. Cavefish populations, Astyanax mexicanus (Teleostei: Characiphysi), exhibit repeated, independent evolution for a variety of traits including eye degeneration, pigment loss, increased size and number of taste buds and mechanosensory organs, and shifts in many behavioural traits. Surface and cave forms are interfertile making this system amenable to genetic interrogation; however, lack of a reference genome has hampered efforts to identify genes responsible for changes in cave forms of A. mexicanus. Here we present the first de novo genome assembly for Astyanax mexicanus cavefish, contrast repeat elements to other teleost genomes, identify candidate genes underlying quantitative trait loci (QTL), and assay these candidate genes for potential functional and expression differences. We expect the cavefish genome to advance understanding of the evolutionary process, as well as, analogous human disease including retinal dysfunction. Populations of the cave fish Astyanax mexicanus exhibit a variety of traits that evolved repeatedly and independently from its surface counterparts. Here the authors present a de novo genome assembly for A. mexicanusand identify candidate genes for eye loss and reduced pigmentation.

Significance The propensity for weight gain is detrimental to modern human health. However, under environmental conditions where nutrients are limiting, this trait can be highly adaptive. Currently, the genetic basis of population level differences in appetite control and metabolism is still largely mysterious. Here, we describe changes in metabolism that evolved in the small tetra Astyanax mexicanus as it adapted from surface rivers to the nutrient-poor environment found in caves. We identified coding mutations in melanocortin 4 receptor responsible for an increase in appetite and starvation resistance of cavefish compared with surface fish populations. These results provide important genetic insights into metabolic evolution and show that mutations in a single gene can have profound effects on multiple physiological adaptations.

Abstract Understanding the molecular basis of repeatedly evolved phenotypes can yield key insights into the evolutionary process. Quantifying gene flow between populations is especially important in interpreting mechanisms of repeated phenotypic evolution, and genomic analyses have revealed that admixture occurs more frequently between diverging lineages than previously thought. In this study, we resequenced 47 whole genomes of the Mexican tetra from three cave populations, two surface populations and outgroup samples. We confirmed that cave populations are polyphyletic and two Astyanax mexicanus lineages are present in our data set. The two lineages likely diverged much more recently than previous mitochondrial estimates of 5–7 mya. Divergence of cave populations from their phylogenetically closest surface population likely occurred between ~161 and 191 k generations ago. The favoured demographic model for most population pairs accounts for divergence with secondary contact and heterogeneous gene flow across the genome, and we rigorously identified gene flow among all lineages sampled. Therefore, the evolution of cave‐related traits occurred more rapidly than previously thought, and trogolomorphic traits are maintained despite gene flow with surface populations. The recency of these estimated divergence events suggests that selection may drive the evolution of cave‐derived traits, as opposed to disuse and drift. Finally, we show that a key trogolomorphic phenotype QTL is enriched for genomic regions with low divergence between caves, suggesting that regions important for cave phenotypes may be transferred between caves via gene flow. Our study shows that gene flow must be considered in studies of independent, repeated trait evolution.

Abstract The eye, an anatomical extension of the central nervous system (CNS), exhibits many molecular and cellular parallels to the brain. Emerging research demonstrates that changes in the brain are often reflected in the eye, particularly in the retina 1 . Still, the possibility of an immunological nexus between the posterior eye and the rest of the CNS tissues remains unexplored. Here, studying immune responses to herpes simplex virus in the brain, we observed that intravitreal immunization protects mice against intracranial viral challenge. This protection extended to bacteria and even tumours, allowing therapeutic immune responses against glioblastoma through intravitreal immunization. We further show that the anterior and posterior compartments of the eye have distinct lymphatic drainage systems, with the latter draining to the deep cervical lymph nodes through lymphatic vasculature in the optic nerve sheath. This posterior lymphatic drainage, like that of meningeal lymphatics, could be modulated by the lymphatic stimulator VEGFC. Conversely, we show that inhibition of lymphatic signalling on the optic nerve could overcome a major limitation in gene therapy by diminishing the immune response to adeno-associated virus and ensuring continued efficacy after multiple doses. These results reveal a shared lymphatic circuit able to mount a unified immune response between the posterior eye and the brain, highlighting an understudied immunological feature of the eye and opening up the potential for new therapeutic strategies in ocular and CNS diseases.

Abstract Changes in cis-regulatory elements play important roles in adaptation and phenotypic evolution. However, their contribution to metabolic adaptation of organisms is less understood. Here we have utilized a unique vertebrate model, Astyanax mexicanus, different morphotypes of which survive in nutrient-rich surface and nutrient-deprived cave water to uncover gene regulatory networks in metabolic adaptation. We performed genome-wide epigenetic profiling in the liver tissue of one surface and two independently derived cave populations. We find that many cis-regulatory elements differ in their epigenetic status/chromatin accessibility between surface fish and cavefish, while the two independently derived cave populations have evolved remarkably similar regulatory signatures. These differentially accessible regions are associated with genes of key pathways related to lipid metabolism, circadian rhythm and immune system that are known to be altered in cavefish. Using in vitro and in vivo functional testing of the candidate cis-regulatory elements, we find that genetic changes within them cause quantitative expression differences. We characterized one cis-regulatory element in the hpdb gene and found a genomic deletion in cavefish that abolishes binding of the transcriptional repressor IRF2 in vitro and derepresses enhancer activity in reporter assays. Genetic experiments further validated a cis-mediated role of the enhancer and suggest a role of this deletion in the upregulation of hpdb in wild cavefish populations. Selection of this mutation in multiple independent cave populations supports its importance in the adaptation to the cave environment, providing novel molecular insights into the evolutionary trade-off between loss of pigmentation and adaptation to a food-deprived cave environment.

Abstract Nutrient availability varies seasonally and spatially in the wild. The resulting nutrient limitation or restricted access to nutrients pose a major challenge for every organism. While many animals, such as hibernating animals, evolved strategies to overcome periods of nutrient scarcity, the cellular mechanisms of these strategies are poorly understood. Cave environments represent an extreme example of nutrient deprived environments since the lack of sunlight and therefore primary energy production drastically diminishes the nutrient availability. Here, we used Astyanax mexicanus , which includes river-dwelling surface fish and cave adapted cavefish populations to study the genetic adaptation to nutrient limitations. We show that cavefish populations store large amounts of fat in different body regions when fed ad libitum in the lab. We found higher expression of lipogenesis genes in cavefish livers when fed the same amount of food as surface fish, suggesting an improved ability of cavefish to use lipogenesis to convert available energy into triglycerides for storage into adipose tissue. Moreover, the lipid metabolism regulator, Peroxisome proliferator-activated receptor γ (Pparγ), is upregulated at both transcript and protein levels in cavefish livers. Chromatin Immunoprecipitation sequencing (ChIP seq) showed that Pparγ binds cavefish promoter regions of genes to a higher extent than surface fish. Finally, we identified two possible regulatory mechanisms of Pparγ in cavefish: higher amounts of ligands of the nuclear receptor, and nonsense mutations in per2 , a known repressor of Pparγ. Taken together, our study reveals that upregulated Pparγ promotes higher levels of lipogenesis in the liver and contributes to higher body fat accumulation in cavefish populations, an important adaptation to nutrient limited environments.