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.

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.

Abstract Predicting the outcome of evolution is a central goal of modern biology, yet, determining the relative contributions of deterministic events (i.e., selection) and stochastic events (i.e., drift and mutation) to the evolutionary process remains a major challenge. Systems where the same traits have evolved repeatedly provide natural replication that can be leveraged to study the predictability of molecular evolution and the genetic basis of adaptation. Although mutational screens in the laboratory have demonstrated that a diversity of genetic mutations can produce phenocopies of one another, in natural systems, similar genetic changes frequently underly the evolution of phenotypes across independent lineages. This suggests a substantial role for constraint and determinism in evolution and supports the notion that there may be characteristics which make certain mutations more likely to contribute to phenotypic evolution. Here we use large-scale whole genome resequencing in the Mexican tetra, Astyanax mexicanus , to demonstrate that selection has played a primary role in repeated evolution of both trait loss and trait enhancement across independent cave lineages. We identify candidate genes underlying repeated adaptation to caves and infer the mode of repeated evolution, revealing that selection on standing genetic variation and de novo mutations both contribute substantially to repeated adaptation. Finally, we show that genes with evidence of repeated evolution have significantly longer coding regions compared to the rest of the genome, and this effect is most pronounced in genes evolving convergently via independent mutations. Importantly, our findings provide the first empirical support for the hypothesis that genes with larger mutational targets are more likely to be the substrate of repeated evolution and indicate that features of the novel cave environment may impact the rate at which mutations occur.

Abstract Physical inactivity – specifically the lack of moderate-to-vigorous activity – is a scourge to human health, promoting metabolic disease and muscle wasting. Interestingly, multiple ecological niches have relaxed investment into physical activity, providing unique evolutionary insight into adaptive physical inactivity. The Mexican cavefish Astyanax mexicanus lost moderate-to-vigorous activity following cave colonization, reaching basal swim speeds ~3-fold slower than their river-dwelling counterpart. We found that this was accompanied by a marked shift in body composition, decreasing muscle mass by 30% and increasing fat mass by 40%. This shift persisted at the single muscle fiber level via increased lipid and sugar accumulation at the expense of myofibrillar volume. Transcriptomic analysis of laboratory-reared and wild-caught cavefish indicated this shift in investment is driven by increased expression of pparγ – the master regulator of adipogenesis – with a simultaneous decrease in fast myosin heavy chain expression. Ex vivo and in vivo analysis confirmed these investment strategies come with a functional trade-off, decreasing cavefish muscle fiber shortening velocity, time to maximal force, and ultimately maximal swimming velocity. Despite this, cavefish displayed a striking degree of muscular endurance, reaching maximal swim speeds ~3.5-fold faster than their basal swim speeds. Multi-omics analysis indicated metabolic reprogramming, specifically increased phosphoglucomutase-1 abundance, phosphorylation, and activity, as contributing mechanisms enhancing cavefish glycogen utilization under metabolically strenuous conditions. Collectively, we reveal broad skeletal muscle reprogramming following cave colonization, displaying an adaptive skeletal muscle phenotype reminiscent to mammalian disuse and high-fat models while simultaneously maintaining a unique capacity for sustained muscle contraction under fatiguing conditions. Significance The evolutionary consequence of decreased physical activity upon skeletal muscle physiology remains unexplored. Using the Mexican cavefish, we find loss of moderate-to-vigorous swimming following cave colonization has resulted in broad shifts in skeletal muscle investment – away from muscle mass and instead toward fat and sugar accumulation – ultimately decreasing muscle fiber twitch kinetics. Surprisingly though, cavefish possessed marked muscular endurance, reaching maximal swimming speeds rivaling their river-dwelling counterpart. Multi-omics analysis revealed carbohydrate metabolic reprogramming as a contributing component, most notably elevated abundance and phosphorylation of the glycogenolytic enzyme Phosphoglucomutase-1 – a likely adaptation to cave-specific hypoxia. These findings emphasize the impact multiple selective pressures have on skeletal muscle physiology, providing the first evolutionary insight into skeletal muscle adaptation following decreased activity.

Abstract Reduced parasite infection rates in the developed world are suspected to underlie the rising prevalence of autoimmune disorders. However, the long-term evolutionary consequences of decreased parasite exposure on an immune system are not well understood. We used the Mexican tetra Astyanax mexicanus to understand how loss of parasite diversity influences the evolutionary trajectory of the vertebrate immune system by comparing river with cave morphotypes. Here, we present field data that affirms a strong reduction in parasite diversity in the cave ecosystem and show that cavefish immune cells display a more sensitive proinflammatory response towards bacterial endotoxins. Surprisingly, other innate cellular immune responses, such as phagocytosis, are drastically decreased in cavefish. Using two independent single-cell approaches, we identified a shift in the overall immune cell composition in cavefish as the underlying cellular mechanism, indicating strong differences in the immune investment strategy. While surface fish invest evenly into the innate and adaptive immune system, cavefish shifted immune investment to the adaptive immune system, and here, mainly towards specific T-cell populations that promote homeostasis. Additionally, inflammatory responses and immunopathological phenotypes in visceral adipose tissue are drastically reduced in cavefish. Our data indicate that long term adaptation to low parasite diversity coincides with a more sensitive immune system in cavefish, which is accompanied by a reduction of the immune cells that play a role in mediating the proinflammatory response.