Genomics has revolutionized biological research, but quality assessment of the resulting assembled sequences is complicated and remains mostly limited to technical measures like N50.We propose a measure for quantitative assessment of genome assembly and annotation completeness based on evolutionarily informed expectations of gene content. We implemented the assessment procedure in open-source software, with sets of Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs, named BUSCO.Software implemented in Python and datasets available for download from http://busco.ezlab.org.evgeny.zdobnov@unige.chSupplementary data are available at Bioinformatics online.

Genomics promises comprehensive surveying of genomes and metagenomes, but rapidly changing technologies and expanding data volumes make evaluation of completeness a challenging task. Technical sequencing quality metrics can be complemented by quantifying completeness of genomic data sets in terms of the expected gene content of Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs (BUSCO, http://busco.ezlab.org). The latest software release implements a complete refactoring of the code to make it more flexible and extendable to facilitate high-throughput assessments. The original six lineage assessment data sets have been updated with improved species sampling, 34 new subsets have been built for vertebrates, arthropods, fungi, and prokaryotes that greatly enhance resolution, and data sets are now also available for nematodes, protists, and plants. Here, we present BUSCO v3 with example analyses that highlight the wide-ranging utility of BUSCO assessments, which extend beyond quality control of genomics data sets to applications in comparative genomics analyses, gene predictor training, metagenomics, and phylogenomics.

Hidden Markov Models (HMMs) are applied to the problems of statistical modeling, database searching and multiple sequence alignment of protein families and protein domains. These methods are demonstrated on the globin family, the protein kinase catalytic domain, and the EF-hand calcium binding motif. In each case the parameters of an HMM are estimated from a training set of unaligned sequences. After the HMM is built, it is used to obtain a multiple alignment of all the training sequences. It is also used to search the SWISS-PROT 22 database for other sequences that are members of the given protein family, or contain the given domain. The HMM produces multiple alignments of good quality that agree closely with the alignments produced by programs that incorporate three-dimensional structural information. When employed in discrimination tests (by examining how closely the sequences in a database fit the globin, kinase and EF-hand HMMs), the HMM is able to distinguish members of these families from non-members with a high degree of accuracy. Both the HMM and PROFILESEARCH (a technique used to search for relationships between a protein sequence and multiply aligned sequences) perform better in these tests than PROSITE (a dictionary of sites and patterns in proteins). The HMM appears to have a slight advantage over PROFILESEARCH in terms of lower rates of false negatives and false positives, even though the HMM is trained using only unaligned sequences, whereas PROFILESEARCH requires aligned training sequences. Our results suggest the presence of an EF-hand calcium binding motif in a highly conserved and evolutionary preserved putative intracellular region of 155 residues in the α-1 subunit of L-type calcium channels which play an important role in excitation-contraction coupling. This region has been suggested to contain the functional domains that are typical or essential for all L-type calcium channels regardless of whether they couple to ryanodine receptors, conduct ions or both.

ModBase (http://salilab.org/modbase) is a database of annotated comparative protein structure models. The models are calculated by ModPipe, an automated modeling pipeline that relies primarily on Modeller for fold assignment, sequence-structure alignment, model building and model assessment (http://salilab.org/modeller/). ModBase currently contains 10,355,444 reliable models for domains in 2,421,920 unique protein sequences. ModBase allows users to update comparative models on demand, and request modeling of additional sequences through an interface to the ModWeb modeling server (http://salilab.org/modweb). ModBase models are available through the ModBase interface as well as the Protein Model Portal (http://www.proteinmodelportal.org/). Recently developed associated resources include the SALIGN server for multiple sequence and structure alignment (http://salilab.org/salign), the ModEval server for predicting the accuracy of protein structure models (http://salilab.org/modeval), the PCSS server for predicting which peptides bind to a given protein (http://salilab.org/pcss) and the FoXS server for calculating and fitting Small Angle X-ray Scattering profiles (http://salilab.org/foxs).

Mosquitoes are vectors of parasitic and viral diseases of immense importance for public health. The acquisition of the genome sequence of the yellow fever and Dengue vector, Aedes aegypti ( Aa ), has enabled a comparative phylogenomic analysis of the insect immune repertoire: in Aa , the malaria vector Anopheles gambiae ( Ag ), and the fruit fly Drosophila melanogaster ( Dm ). Analysis of immune signaling pathways and response modules reveals both conservative and rapidly evolving features associated with different functional gene categories and particular aspects of immune reactions. These dynamics reflect in part continuous readjustment between accommodation and rejection of pathogens and suggest how innate immunity may have evolved.

Introduction The notion that species boundaries can be porous to introgression is increasingly accepted. Yet the broader role of introgression in evolution remains contentious and poorly documented, partly because of the challenges involved in accurately identifying introgression in the very groups where it is most likely to occur. Recently diverged species often have incomplete reproductive barriers and may hybridize where they overlap. However, because of retention and stochastic sorting of ancestral polymorphisms, inference of the correct species branching order is notoriously challenging for recent speciation events, especially those closely spaced in time. Without knowledge of species relationships, it is impossible to identify instances of introgression. Rationale Since the discovery that the single mosquito taxon described in 1902 as Anopheles gambiae was actually a complex of several closely related and morphologically indistinguishable sibling species, the correct species branching order has remained controversial and unresolved. This Afrotropical complex contains the world’s most important vectors of human malaria, owing to their close association with humans, as well as minor vectors and species that do not bite humans. On the basis of ecology and behavior, one might predict phylogenetic clustering of the three highly anthropophilic vector species. However, previous phylogenetic analyses of the complex based on a limited number of markers strongly disagree about relationships between the major vectors, potentially because of historical introgression between them. To investigate the history of the species complex, we used whole-genome reference assemblies, as well as dozens of resequenced individuals from the field. Results We observed a large amount of phylogenetic discordance between trees generated from the autosomes and X chromosome. The autosomes, which make up the majority of the genome, overwhelmingly supported the grouping of the three major vectors of malaria, An. gambiae , An. coluzzii , and An. arabiensis . In stark contrast, the X chromosome strongly supported the grouping of An. arabiensis with a species that plays no role in malaria transmission, An. quadriannulatus . Although the whole-genome consensus phylogeny unequivocally agrees with the autosomal topology, we found that the topology most often located on the X chromosome follows the historical species branching order, with pervasive introgression on the autosomes producing relationships that group the three highly anthropophilic species together. With knowledge of the correct species branching order, we are further able to uncover introgression between another species pair, as well as a complex history of balancing selection, introgression, and local adaptation of a large autosomal inversion that confers aridity tolerance. Conclusion We identify the correct species branching order of the An. gambiae species complex, resolving a contentious phylogeny. Notably, lineages leading to the principal vectors of human malaria were among the first in the complex to radiate and are not most closely related to each other. Pervasive autosomal introgression between these human malaria vectors, including nonsister vector species, suggests that traits enhancing vectorial capacity can be acquired not only through de novo mutation but also through a more rapid process of interspecific genetic exchange. Time-lapse photographs of an adult anopheline mosquito emerging from its pupal case. RELATED ITEMS IN Science D. E. Neafsey et al ., Science 347 , 1258522 (2015)

Background: Chloroplasts are plant cell organelles of cyanobacterial origin. They perform essential metabolic and biosynthetic functions of global significance, including photosynthesis and amino acid biosynthesis. Most of the proteins that constitute the functional chloroplast are encoded in the nuclear genome and imported into the chloroplast after translation in the cytosol. Since protein targeting is difficult to predict, many nuclear-encoded plastid proteins are still to be discovered.Results: By tandem mass spectrometry, we identified 690 different proteins from purified Arabidopsis chloroplasts. Most proteins could be assigned to known protein complexes and metabolic pathways, but more than 30% of the proteins have unknown functions, and many are not predicted to localize to the chloroplast. Novel structure and function prediction methods provided more informative annotations for proteins of unknown functions. While near-complete protein coverage was accomplished for key chloroplast pathways such as carbon fixation and photosynthesis, fewer proteins were identified from pathways that are downregulated in the light. Parallel RNA profiling revealed a pathway-dependent correlation between transcript and relative protein abundance, suggesting gene regulation at different levels.Conclusions: The chloroplast proteome contains many proteins that are of unknown function and not predicted to localize to the chloroplast. Expression of nuclear-encoded chloroplast genes is regulated at multiple levels in a pathway-dependent context. The combined shotgun proteomics and RNA profiling approach is of high potential value to predict metabolic pathway prevalence and to define regulatory levels of gene expression on a pathway scale.

As an obligatory parasite of humans, the body louse (Pediculus humanus humanus) is an important vector for human diseases, including epidemic typhus, relapsing fever, and trench fever. Here, we present genome sequences of the body louse and its primary bacterial endosymbiont Candidatus Riesia pediculicola. The body louse has the smallest known insect genome, spanning 108 Mb. Despite its status as an obligate parasite, it retains a remarkably complete basal insect repertoire of 10,773 protein-coding genes and 57 microRNAs. Representing hemimetabolous insects, the genome of the body louse thus provides a reference for studies of holometabolous insects. Compared with other insect genomes, the body louse genome contains significantly fewer genes associated with environmental sensing and response, including odorant and gustatory receptors and detoxifying enzymes. The unique architecture of the 18 minicircular mitochondrial chromosomes of the body louse may be linked to the loss of the gene encoding the mitochondrial single-stranded DNA binding protein. The genome of the obligatory louse endosymbiont Candidatus Riesia pediculicola encodes less than 600 genes on a short, linear chromosome and a circular plasmid. The plasmid harbors a unique arrangement of genes required for the synthesis of pantothenate, an essential vitamin deficient in the louse diet. The human body louse, its primary endosymbiont, and the bacterial pathogens that it vectors all possess genomes reduced in size compared with their free-living close relatives. Thus, the body louse genome project offers unique information and tools to use in advancing understanding of coevolution among vectors, symbionts, and pathogens.

Abstract Ticks transmit more pathogens to humans and animals than any other arthropod. We describe the 2.1 Gbp nuclear genome of the tick, Ixodes scapularis (Say), which vectors pathogens that cause Lyme disease, human granulocytic anaplasmosis, babesiosis and other diseases. The large genome reflects accumulation of repetitive DNA, new lineages of retro-transposons, and gene architecture patterns resembling ancient metazoans rather than pancrustaceans. Annotation of scaffolds representing ∼57% of the genome, reveals 20,486 protein-coding genes and expansions of gene families associated with tick–host interactions. We report insights from genome analyses into parasitic processes unique to ticks, including host ‘questing’, prolonged feeding, cuticle synthesis, blood meal concentration, novel methods of haemoglobin digestion, haem detoxification, vitellogenesis and prolonged off-host survival. We identify proteins associated with the agent of human granulocytic anaplasmosis, an emerging disease, and the encephalitis-causing Langat virus, and a population structure correlated to life-history traits and transmission of the Lyme disease agent.

Closing the Vector Circle The genome sequence of Culex quinquefasciatus offers a representative of the third major genus of mosquito disease vectors for comparative analysis. In a major international effort, Arensburger et al. (p. 86 ) uncovered divergences in the C. quinquefasciatus genome compared with the representatives of the other two genera Aedes aegypti and Anopheles gambiae . The main difference noted is the expansion of numbers of genes, particularly for immunity, oxidoreductive functions, and digestive enzymes, which may reflect specific aspects of the Culex life cycle. Bartholomay et al. (p. 88 ) explored infection-response genes in Culex in more depth and uncovered 500 immune response-related genes, similar to the numbers seen in Aedes , but fewer than seen in Anopheles or the fruit fly Drosophila melanogaster . The higher numbers of genes were attributed partly to expansions in those encoding serpins, C-type lectins, and fibrinogen-related proteins, consistent with greater immune surveillance and associated signaling needed to monitor the dangers of breeding in polluted, urbanized environments. Transcriptome analysis confirmed that inoculation with unfamiliar bacteria prompted strong immune responses in Culex . The worm and virus pathogens that the mosquitoes transmit naturally provoked little immune activation, however, suggesting that tolerance has evolved to any damage caused by replication of the pathogens in the insects.