Abstract Identifying species with lower-than-expected cancer prevalence can help establish new models for understanding cancer resistance. Most studies of cancer prevalence have focused on mammals. Yet, other vertebrate groups vary tremendously in genetics, physiology, and ecology, which can all influence mechanisms of cancer resistance and may hold new keys to understanding cancer biology. Here, we present data on cancer prevalence in tetrapods, which includes all major vertebrate groups except fish, using necropsies from over a thousand different species. We investigated cancer prevalence within and among amphibians, birds, crocodilians, mammals, squamates, and turtles in relationship to body mass and lifespan. We are the first to (1) analyze non-avian reptile groups separately, (2) conduct statistical analyses appropriate for this type of discontinuous data, (3) more accurately use raw cancer occurrence data instead of species averages, and (4) look at how data resampling influences the robustness of results. We found remarkably low cancer prevalence in turtles and high prevalence in squamates and mammals. In contrast to previous studies, lifespan in mammals was negatively associated with neoplasia but positively associated with malignancy. We recovered the same results by reanalyzing data from these previous studies with our statistical approach. We also found that neoplasia prevalence was positively associated with body mass in amphibians and squamates. Overall, our results demonstrate a clear relationship between life history and neoplasia in most tetrapod groups. Our findings also indicate that choice of analytical methods is critical when examining cancer prevalence data. Finally, the exceptionally low cancer prevalence in turtles and extensive variation in cancer prevalence among tetrapod families hold particular promise for identifying species with novel mechanisms of cancer resistance.

Abstract There is a longstanding interest in whether the loss of complex characters is reversible (so-called “Dollo’s law”). Reevolution has been suggested for numerous traits but among the first was Kurtén (1963), who proposed that the presence of the second lower molar (M 2 ) of the Eurasian lynx ( Lynx lynx ) was a violation of Dollo’s law because all other Felids lack M 2 . While an early and often cited example for the reevolution of a complex trait, Kurtén (1963) and Werdelin (1987) used an ad hoc parsimony argument to support their proposition that M 2 reevolved in Eurasian lynx. Here I revisit the evidence that M 2 reevolved in Eurasian lynx using explicit parsimony and maximum likelihood models of character evolution and find strong evidence that Kurtén (1963) and Werdelin (1987) were correct – M 2 reevolved in Eurasian lynx. Next, I explore the developmental mechanisms which may explain this violation of Dollo’s law and suggest that the reevolution of lost complex traits may arise from the reevolution of cis-regulatory elements and protein-protein interactions, which have a longer half-life after silencing that protein coding genes. Finally, I present a model developmental model to explain the reevolution M 2 in Eurasian lynx.

Abstract There are many costs associated with increased body size and longevity in animals, including the accumulation of genotoxic and cytotoxic damage that comes with having more cells and living longer. Yet, some species have overcome these barriers and have evolved remarkably large body sizes and long lifespans, sometimes within a narrow window of evolutionary time. Here, we demonstrate through phylogenetic comparative analysis that multiple turtle lineages, including Galapagos giant tortoises, concurrently evolved large bodies, long lifespans, and reduced cancer risk. We also show through comparative genomic analysis that Galapagos giant tortoises have gene duplications related to longevity and tumor suppression. To examine the molecular basis underlying increased body size and lifespan in turtles, we treated cell lines from multiple species, including Galapagos giant tortoises, with drugs that induce different types of cytotoxic stress. Our results indicate that turtle cells, in general, are resistant to oxidative stress related to aging, while Galapagos giant tortoise cells, specifically, are sensitive to endoplasmic reticulum stress, which may give this species an ability to mitigate the effects of cellular stress associated with increased body size and longevity.

Abstract The risk of developing cancer is correlated with body size and lifespan within species. Between species, however, there is no correlation between cancer and either body size or lifespan, indicating that large, long-lived species have evolved enhanced cancer protection mechanisms. Elephants and their relatives (Proboscideans) are a particularly interesting lineage for the exploration of mechanisms underlying the evolution of augmented cancer resistance because they evolved large bodies recently within a clade of smaller bodied species (Afrotherians). Here, we explore the contribution of gene duplication to body size and cancer risk in Afrotherians. Unexpectedly, we found that tumor suppresxssor duplication was pervasive in Afrotherian genomes, rather than restricted to Proboscideans. Proboscideans, however, have duplicates in unique pathways that may underlie some aspects of their remarkable anti-cancer cell biology. These data suggest that duplication of tumor suppressor genes facilitated the evolution of increased body size by compensating for decreasing intrinsic cancer risk.

Abstract Evolutionary changes in the anatomy and physiology of the female reproductive system underlie the origins and diversification of pregnancy in Eutherian (“Placental”) mammals. This developmental and evolutionary history constrains normal physiological functions and biases the ways in which dysfunction contributes to reproductive trait diseases and adverse pregnancy outcomes. Here, we show that gene expression changes in the human endometrium during pregnancy are associated with the evolution of human-specific traits and pathologies of pregnancy. We found that hundreds of genes gained or lost endometrial expression in the human lineage. Among these are genes that may contribute to human-specific maternal-fetal communication ( HTR2B ) and maternal-fetal immunotolerance ( PDCD1LG2 ) systems, as well as vascular remodeling and deep placental invasion ( CORIN ). These data suggest that explicit evolutionary studies of anatomical systems complement traditional methods for characterizing the genetic architecture of disease. We also anticipate our results will advance the emerging synthesis of evolution and medicine (“evolutionary medicine”) and be a starting point for more sophisticated studies of the maternal-fetal interface. Furthermore, the gene expression changes we identified may contribute to the development of diagnostics and interventions for adverse pregnancy outcomes.

Abstract Among the constraints on the evolution of remarkably long lifespans is an increased risk of developing cancer because organisms with long lifespans have more time to accumulate cancer-causing mutations than organisms with shorter lifespans. Indeed, while there is a strong correlation between lifespan and cancer risk within species, there is no correlation between maximum lifespan and cancer risk across species (‘Peto’s Paradox’). Here we use evolutionary genomics and comparative experimental biology to explore the mechanisms by which Bowhead whales ( Balaena mysticetus ), which can live at least 211 years, evolved their extremely long lifespans. We found that the Bowhead whale genome encodes a species-specific retroduplicated CDKN2C (p18 INK4C ) gene ( CDKN2CRTG ). The CDKN2CRTG gene is embedded within a Cetacean-specific LINE L1 element, and is highly expressed in Bowhead whale tissues likely because it coopted an L1 promoter to drive constitutive expression. Furthermore we use a series of gain of function experiments to show how the duplicate CDKN2CRTG gene may influence cellular phenotypes such as cell cycle progression and DNA damage repair in ways that are beneficial for aging and cancer resistance. Remarkably, Bowhead and Right whales only diverged ~4-5 million years ago, suggesting the long lifespan of Bowheads may have evolved relatively recently and coincident with the origin of CDKN2CRTG . Abstract Figure

Abstract The risk of developing cancer is correlated with body size and lifespan within species, but there is no correlation between cancer and either body size or lifespan between species indicating that large, long-lived species have evolved enhanced cancer protection mechanisms. Previously we showed that several large bodied Afrotherian lineages evolved reduced intrinsic cancer risk, particularly elephants and their extinct relatives (Proboscideans), coincident with pervasive duplication of tumor suppressor genes (Vazquez and Lynch 2021). Unexpectedly, we also found that Xenarthrans (sloths, armadillos, and anteaters) evolved very low intrinsic cancer risk. Here, we show that: 1) several Xenarthran lineages that independently evolved large bodies, long lifespans, and reduced intrinsic cancer risk; 2) reduced cancer risk in the stem lineages of Xenarthra and Pilosa occurred coincident with bursts of tumor suppressor gene duplications; 3) cells from sloths proliferate extremely slowly while Xenarthran cells induce apoptosis are very low levels of DNA damage; and 4) the prevalence of cancer is extremely low Xenarthrans, and cancer is nearly absent from armadillos. These data implicate the duplication of tumor suppressor genes in the evolution of remarkably large body sizes and decreased cancer risk in Xenarthrans and suggest they are a remarkably cancer resistant group of mammals. Abstract Figure

Abstract Elephants have emerged as a model system to study the evolution of body size and cancer resistance because, despite their immense size, they have a very low prevalence of cancer. Previous studies have found that duplication of tumor suppressors at least partly contributes to the evolution of anti-cancer cellular phenotypes in elephants. Still, many other mechanisms must have contributed to their augmented cancer resistance. Here, we use a suite of codon-based maximum-likelihood methods and a dataset of 13,310 protein-coding gene alignments from 261 Eutherian mammals to identify positively selected and rapidly evolving elephant genes. We found 496 genes (3.73% of alignments tested) with statistically significant evidence for positive selection and 660 genes (4.96% of alignments tested) that likely evolved rapidly in elephants. Positively selected and rapidly evolving genes are statistically enriched in gene ontology terms and biological pathways related to regulated cell death mechanisms, DNA damage repair, cell cycle regulation, epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling, and immune functions, particularly neutrophil granules and degranulation. All of these biological factors are plausibly related to the evolution of cancer resistance. Thus, these positively selected and rapidly evolving genes are promising candidates for genes contributing to elephant-specific traits, including the evolution of molecular and cellular characteristics that enhance cancer resistance.

Abstract Structural and physiological changes in the female reproductive system underlie the origins of pregnancy in multiple vertebrate lineages. In mammals, for example, the glandular portion of the lower reproductive tract has transformed into a structure specialized for supporting fetal development. These specializations range from relatively simple maternal provisioning in egg-laying monotremes to an elaborate suite of traits that support intimate maternal-fetal interactions in Eutherians. Among these traits are the maternal decidua and fetal component of the placenta, but there is considerable uncertainty about how these structures evolved. We identified the origins of pregnancy utilizing ancestral transcriptome reconstruction to infer functional evolution of the maternal-fetal interface. Remarkably, we found that maternal gene expression profiles are correlated with degree of placental invasion. These results indicate that an epitheliochorial-like placenta evolved early in the mammalian stem-lineage and that the ancestor of Eutherians had a hemochorial placenta, and suggest maternal control of placental invasiveness. Collectively, these data resolve major transitions in the evolution of pregnancy and indicate that ancestral transcriptome reconstruction can be used to study the function of ancestral cell, tissue, and organ systems.

Abstract The developmental origins and evolutionary histories of cell types, tissues and organ systems contribute to the ways in which their dysfunction leads to disease. In mammals for example, the nature and extent of maternal-fetal interactions, how those interactions develop, and their evolutionary history likely influence diseases of pregnancy such as infertility and preterm birth. Here we show genes that evolved to be expressed at the maternal-fetal interface in Eutherian (‘Placental’) mammals play essential roles in the evolution of pregnancy and are associated with immune system disorders and preterm birth. Among these genes is the transcription factor HAND2 , which suppresses estrogen signaling, an innovation of Eutherians, thereby allowing blastocyst implantation. We found that HAND2 is dynamically expressed in the decidua throughout the menstrual cycle and pregnancy, gradually decreasing to reach a low at term. HAND2 regulates a small but distinct set of target genes in endometrial stromal fibroblasts including the cytokine IL15 , which was also dynamically expressed throughout the menstrual cycle and gestation, and promoted the migration of natural killer cells and extravillous cytotrophoblasts. Remarkably, we found that the HAND2 promoter loops to a distal enhancer containing SNPs implicated in the regulation of gestation length and birth weight. Collectively, these data connect HAND2 expression at the maternal-fetal interface with the evolution of implantation and gestation length regulation, and preterm birth.