Summary Numerical or vector representations of DNA sequences have been applied for identification of specific sequence characteristics and patterns which are not evident in their character (A, C, G, T) representations. These transformations often reveal a mathematical structure to the sequences which can be captured efficiently using established mathematical methods. One such transformation, the 2-bit format, represents each nucleotide using only two bits instead of eight for efficient storage of genomic data. Here we describe a mathematical property that exists in the 2-bit representation of tandemly repeated DNA sequences. Our tool, DiviSSR (pronounced divisor), leverages this property and subsequent arithmetic to achieve ultrafast and accurate identification of tandem repeats. DiviSSR can process the entire human genome in ∼30s, and short sequence reads at a rate of >1 million reads/s on a single CPU thread. Our work also highlights the implications of using simple mathematical properties of DNA sequences for faster algorithms in genomics. Availability DiviSSR can be installed directly using python pip. The source code and documentation of DiviSSR are available at https://github.com/avvaruakshay/divissr.git .

Abstract The study of Nuclear Matrix (NuMat) over the last 40 years has been limited to either isolated nuclei from tissues or cells grown in culture. Here, we provide a protocol for NuMat preparation in intact Drosophila melanogaster embryos and its use in dissecting the components of nuclear architecture. The protocol does not require isolation of nuclei and therefore maintains the three-dimensional milieu of an intact embryo, which is biologically more relevant compared to cells in culture. One of the advantages of this protocol is that only a small number of embryos are required. The protocol can be extended to larval tissues like salivary glands and imaginal discs with little modification. Taken together, it becomes possible to carry out such studies in parallel to genetic experiments using mutant and transgenic flies. This protocol, therefore, opens the powerful field of fly genetics to cell biology in the study of nuclear architecture. Summary Nuclear Matrix is a biochemically defined entity and a basic component of the nuclear architecture. Here we present a protocol to isolate and visualize Nuclear Matrix in situ in the intact embryos and tissues of Drosophila melanogaster and its potential applications.

ABSTRACT Triplet nucleotide repeat (TNR) expansion has been linked to more than 40 inheritable neurological, neuromuscular and neurodegenerative disorders. Increase in copy number beyond a threshold causes further rapid expansion of the repeats, leading to instability and disease via gain/loss of function, toxic RNA products or chromosome instability. An analysis of these repeat regions across vertebrates shows that these repeats have consistently either arisen late or have increased in copy number in vertebrates, most significantly in primates and particularly in humans. Many of the known diseases have neurological basis, suggests positive selection of these repeats for neuronal function. Late occurrence of the diseases implicates a lack of negative selection. This evolutionary trade-off, a higher neuronal capability at the cost of disease susceptibility, is further supported by the observation that most of the genes associated with TNR expansion diseases have neuronal function.

The epigenetic modulator, DNMT3L, has been shown to be involved in nuclear reprogramming. Previous work from our laboratory had shown the accumulation and inheritance of epimutations across multiple generations when DNMT3L was ectopically expressed in transgenic DNMT3L Drosophila. Here, we show interaction of DNMT3L with Piwi, a member of a family of proteins known to perform their function through their association with piRNAs. Importantly, DNMT3L expression caused a significant alteration in the piRNA profile across multiple generations in transgenic Drosophila. As piRNAs are known to be passed on from one generation to another, we believe that the DNMT3L through its interaction with Piwi act to modify the inherited pool of piRNAs, which in turn allows accumulation of aberrant epigenetic modifications in subsequent generation. Furthermore, we show the interaction of DNMT3L with Histone H1, a non-core histone involved in higher order chromatin organisation. In light of these observations, it is proposed that in addition to its role in modulating core histone modifications, DNMT3L allows for inheritance of non-genetic information through its collaboration with Piwi, piRNAs and histone H1.

Organisms sense harmful environmental conditions and employ strategies to safeguard themselves. Moreover, they can communicate this experience to the next generation or beyond via non-DNA sequence-based mechanisms, referred to as intergenerational or transgenerational epigenetic inheritance, respectively. Using a specialist larval parasitoid, Leptopilina boulardi, and its host, Drosophila melanogaster, we show that the parental experience of parasitic stress results in an increased survivability of the immediate offspring of the host. Furthermore, we observe that the increased survivability in response to the parasitic stress is transmitted transgenerationally where the grandparents have been exposed to the parasitoid but not the parents. The increased survivability is primarily inherited through male parents, and at least one of the forms of the memory is better immune priming at larval stage. Our study suggests that the stress exposure during the pre-adult stage of the host has lifetime benefits for its progeny to deal with the future parasitic attack.

Compared to prokaryotic cells, a typical eukaryotic cell is much more complex along with its endomembrane system and membrane-bound organelles. Although the endosymbiosis theories convincingly explain the evolution of membrane-bound organelles such as mitochondria and chloroplasts, very little is understood about the evolutionary origins of the nucleus, the defining feature of eukaryotes. Most studies on nuclear evolution have not been able to take into consideration the underlying structural framework of the nucleus, attributed to the nuclear matrix (NuMat), a ribonucleoproteinaceous structure. This can largely be attributed to the lack of annotation of its core components. Since, NuMat has been shown to provide a structural platform for facilitating a variety of nuclear functions such as replication, transcription, and splicing, it is important to identify its protein components to better understand these processes. In this study, we address this issue using the developing embryos of D. melanogaster and D. rerio and identify 362 core NuMat proteins that are conserved between the two organisms. We find that of them, 132 protein groups have originated from pre-existing proteins in prokaryotes. While 51 were conserved across all eukaryotic supergroups, 17 new proteins evolved before the evolution of the last eukaryotic common ancestor and together these 68 proteins out of the 362 core conserved NuMat proteins are conserved across all eukaryotes indicating their indispensable nature for nuclear function for over 1.5 billion years of eukaryotic history. Our analysis paves the way to understand the evolution of the complex internal nuclear architecture and its functions.

Abstract From an isolated epidemic, COVID-19 has now emerged as a global pandemic. The availability of genomes in the public domain following the epidemic provides a unique opportunity to understand the evolution and spread of the SARS-CoV-2 virus across the globe. The availability of whole genomes from multiple states in India prompted us to analyse the phylogenetic clusters of genomes in India. We performed whole-genome sequencing for 64 genomes making a total of 361 genomes from India, followed by phylogenetic clustering, substitution analysis, and dating of the different phylogenetic clusters of viral genomes. We describe a distinct phylogenetic cluster (Clade I / A3i) of SARS-CoV-2 genomes from India, which encompasses 41% of all genomes sequenced and deposited in the public domain from multiple states in India. Globally 3.5% of genomes, which till date could not be mapped to any distinct known cluster fall in this newly defined clade. The cluster is characterized by a core set of shared genetic variants – C6312A (T2016K), C13730T (A88V/A97V), C23929T, and C28311T (P13L). Further, the cluster is also characterized by a nucleotide substitution rate of 1.4 × 10 −3 variants per site per year, lower than the prevalent A2a cluster, and predominantly driven by variants in the E and N genes and relative sparing of the S gene. Epidemiological assessments suggest that the common ancestor emerged in the month of February 2020 and possibly resulted in an outbreak followed by countrywide spread, as evidenced by the low divergence of the genomes from across the country. To the best of our knowledge, this is the first comprehensive study characterizing the distinct and predominant cluster of SARS-CoV-2 in India.

Insect mushroom bodies (MB) have an ensemble of synaptic connections well-studied for their role in experience-dependent learning and several higher cognitive functions. MB requires neurotransmission for an efficient flow of information across synapses with the different flexibility to meet the demand of the dynamically changing environment of an insect. Neurotransmitter transporters coordinate appropriate changes for an efficient neurotransmission at the synapse. Till date, there is no transporter reported for any of the previously known neurotransmitters in the intrinsic neurons of MB. In this study, we report a highly enriched expression of Choline Transporter (ChT) in Drosophila MB. We demonstrate that knockdown of ChT in a sub-type of MB neurons called α/β core (α/βc) neurons leads to eclosion failure, peristaltic defect in larvae, and altered NMJ phenotype. These defects were neither observed on knockdown of proteins of the cholinergic locus in α/βc neurons nor by knockdown of ChT in cholinergic neurons. Thus, our study provides insights into non-canonical roles of ChT in MB.

Abstract The Homeotic genes or Hox define the anterior-posterior (AP) body axis formation in bilaterians and are often present on the chromosome in an order which is collinear to their function across the AP axis. The expression pattern of Hox genes is attributed to the cis -regulatory modules (CRMs) that regulate the genes in a segment-specific manner. In the bithorax complex (BX-C), one of the two Hox complexes in Drosophila melanogaster , even the CRMs consisting of enhancers, initiators, insulators, and Polycomb/trithorax response elements are organized in order that is collinear to their function in the thoracic and abdominal region. Much of these findings are based on the analysis of hundreds of mutations in the BX-C. However, targeted genomic rearrangements comprising of duplications, inversions, etc., that can reveal the basis of collinearity and the number of regulatory modules with respect to body segments have not been reported. In the present study, we generated a series of transgenic lines with the insertion of FRT near the regulatory domain boundaries, to shuffle the CRMs associated with the posterior Hox , Abd-B , of the BX-C. Using these FRT lines, we created several alterations such as deletion, duplication, or inversion of multiple CRMs to comprehend their peculiar genomic arrangement and numbers in the BX-C.

ABSTRACT The notion that genes are the sole units of heredity and that a barrier exists between soma and germline has been a major hurdle in elucidating the heritability of traits that were observed to follow a non-Mendelian inheritance pattern. It was only after the conception of epigenetics by Conrad Waddington that the effect of parental environment on subsequent generations via non-DNA sequence-based mechanisms, such as DNA methylation, chromatin modifications, non-coding RNAs and proteins, could be established, now referred to as multigenerational epigenetic inheritance. Despite growing evidence, the male gamete-derived epigenetic factors that mediate the transmission of such phenotypes are seldom explored, particularly in the model organism Drosophila melanogaster . Using the heat stress-induced multigenerational epigenetic inheritance paradigm in a widely used position-effect variegation line of Drosophila , named white - mottled , we have dissected the effect of heat stress on the sperm proteome in the current study. We demonstrate that multiple successive generations of heat stress at the early embryonic stage results in a significant downregulation of proteins associated with a diverse set of functions, such as translation, chromatin organization, microtubule-based processes, and generation of metabolites and energy, in the sperms. Based on our findings, we propose chromatin-based epigenetic mechanisms, a well-established mechanism for multigenerational effects, as a plausible way of transmitting heat stress memory via the male germline in this case. Moreover, we show that despite these heat stress-induced changes, the life-history traits, such as reproductive fitness and stress tolerance of the subsequent generations, are unaffected, probing the evolutionary relevance of multigenerational epigenetic effects.