The genes that determine the development of the male or female sex are known in Caenorhabditis elegans , Drosophila , and most mammals. In many other organisms the existence of sex-determining factors has been shown by genetic evidence but the genes are unknown. We have found that in the fish medaka the Y chromosome-specific region spans only about 280 kb. It contains a duplicated copy of the autosomal DMRT1 gene, named DMRT1Y . This is the only functional gene in this chromosome segment and maps precisely to the male sex-determining locus. The gene is expressed during male embryonic and larval development and in the Sertoli cells of the adult testes. These features make DMRT1Y a candidate for the medaka male sex-determining gene.

Songlin Chen and colleagues sequenced the whole genomes of a male (ZZ) and a female (ZW) Chinese half-smooth tongue sole, Cynoglossus semilaevis. Their analysis provides insights into the structure and evolution of the sex chromosomes and adaptation to the benthic lifestyle of this flatfish. Genetic sex determination by W and Z chromosomes has developed independently in different groups of organisms. To better understand the evolution of sex chromosomes and the plasticity of sex-determination mechanisms, we sequenced the whole genomes of a male (ZZ) and a female (ZW) half-smooth tongue sole (Cynoglossus semilaevis). In addition to insights into adaptation to a benthic lifestyle, we find that the sex chromosomes of these fish are derived from the same ancestral vertebrate protochromosome as the avian W and Z chromosomes. Notably, the same gene on the Z chromosome, dmrt1, which is the male-determining gene in birds, showed convergent evolution of features that are compatible with a similar function in tongue sole. Comparison of the relatively young tongue sole sex chromosomes with those of mammals and birds identified events that occurred during the early phase of sex-chromosome evolution. Pertinent to the current debate about heterogametic sex-chromosome decay, we find that massive gene loss occurred in the wake of sex-chromosome 'birth'.

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.

DURING vertebrate development, many neurons depend for survival and differentiation on their target cells1–3. The best documented mediator of such a retrograde trophic action is the neurotrophin nerve growth factor (NGF)1. NGF and the other known members of the neurotrophin family, brain-derived neurotrophic factor (BDNF), neurotrophin-3 (NT-3) and neurotrophin-4/5 (NT-4/5) are conserved as distinct genes over large evolutionary distances4–6. Here we report the cloning of neurotrophin-6 (NT-6), a new mem-ber of this family from the teleost fish Xiphophorus. NT-6 dis-tinguishes itself from the other known neurotrophins in that it is not found as a soluble protein in the medium of producing cells. The addition of heparin (but not chondroitin) effects the release of NT-6 from cell surface and extracellular matrix molecules. Recombinant purified NT-6 has a spectrum of actions similar to NGF on chick sympathetic and sensory neurons, albeit with a lower potency. NT-6 is expressed in the embryonic valvulla cerebelli; expression persists in some adult tissues. The interaction of NT-6 with heparin-binding molecules may modulate its action in the nervous system.

Malignant melanoma in Xiphophorus fish hybrids is caused by the activity of a dominant oncogene Tu. By combining genetic and molecular approaches, we have isolated the melanoma oncogene. We show that its level of expression correlates with the degree of malignancy of the tumour. The corresponding proto-oncogene is developmentally regulated. The Tu gene codes for a novel receptor tyrosine kinase which is closely related to the receptor for epidermal growth factor.

Abstract Sex determination can be robustly genetic, strongly environmental, or genetic subject to environmental perturbation. The genetic basis of sex determination is unknown for zebrafish (Danio rerio), a model for development and human health. We used RAD-tag population genomics to identify sex-linked polymorphisms. After verifying this “RAD-sex” method on medaka (Oryzias latipes), we studied two domesticated zebrafish strains (AB and TU), two natural laboratory strains (WIK and EKW), and two recent isolates from nature (NA and CB). All four natural strains had a single sex-linked region at the right tip of chromosome 4, enabling sex genotyping by PCR. Genotypes for the single nucleotide polymorphism (SNP) with the strongest statistical association to sex suggested that wild zebrafish have WZ/ZZ sex chromosomes. In natural strains, “male genotypes” became males and some “female genotypes” also became males, suggesting that the environment or genetic background can cause female-to-male sex reversal. Surprisingly, TU and AB lacked detectable sex-linked loci. Phylogenomics rooted on D. nigrofasciatus verified that all strains are monophyletic. Because AB and TU branched as a monophyletic clade, we could not rule out shared loss of the wild sex locus in a common ancestor despite their independent domestication. Mitochondrial DNA sequences showed that investigated strains represent only one of the three identified zebrafish haplogroups. Results suggest that zebrafish in nature possess a WZ/ZZ sex-determination mechanism with a major determinant lying near the right telomere of chromosome 4 that was modified during domestication. Strains providing the zebrafish reference genome lack key components of the natural sex-determination system but may have evolved variant sex-determining mechanisms during two decades in laboratory culture.

The killifish Nothobranchius furzeri is the shortest-lived vertebrate that can be bred in the laboratory. Its rapid growth, early sexual maturation, fast aging, and arrested embryonic development (diapause) make it an attractive model organism in biomedical research. Here, we report a draft sequence of its genome that allowed us to uncover an intra-species Y chromosome polymorphism representing—in real time—different stages of sex chromosome formation that display features of early mammalian XY evolution "in action." Our data suggest that gdf6Y, encoding a TGF-β family growth factor, is the master sex-determining gene in N. furzeri. Moreover, we observed genomic clustering of aging-related genes, identified genes under positive selection, and revealed significant similarities of gene expression profiles between diapause and aging, particularly for genes controlling cell cycle and translation. The annotated genome sequence is provided as an online resource (http://www.nothobranchius.info/NFINgb).

Several attributes intuitively considered to be typical mammalian features, such as complex behavior, live birth and malignant disease such as cancer, also appeared several times independently in lower vertebrates. The genetic mechanisms underlying the evolution of these elaborate traits are poorly understood. The platyfish, X. maculatus, offers a unique model to better understand the molecular biology of such traits. We report here the sequencing of the platyfish genome. Integrating genome assembly with extensive genetic maps identified an unexpected evolutionary stability of chromosomes in fish, in contrast to in mammals. Genes associated with viviparity show signatures of positive selection, identifying new putative functional domains and rare cases of parallel evolution. We also find that genes implicated in cognition show an unexpectedly high rate of duplicate gene retention after the teleost genome duplication event, suggesting a hypothesis for the evolution of the behavioral complexity in fish, which exceeds that found in amphibians and reptiles.

Abstract The evolution of reproductive barriers is the first step in the formation of new species and can help us understand the diversification of life on Earth. These reproductive barriers often take the form of “hybrid incompatibilities,” where alleles derived from two different species no longer interact properly in hybrids. Theory predicts that hybrid incompatibilities may be more likely to arise at rapidly evolving genes and that incompatibilities involving multiple genes should be common, but there has been sparse empirical data to evaluate these predictions. Here, we describe a mitonuclear incompatibility involving three genes in physical contact within respiratory Complex I in naturally hybridizing swordtail fish species. Individuals homozygous for specific mismatched protein combinations fail to complete embryonic development or die as juveniles, while those heterozygous for the incompatibility have reduced function of Complex I and unbalanced representation of parental alleles in the mitochondrial proteome. We find that the impacts of different genetic interactions on survival are non-additive, highlighting subtle complexity in the genetic architecture of hybrid incompatibilities. We document the evolutionary history of the genes involved, showing for the first time that an incompatibility has been transferred between species via hybridization. This work thus provides the first glimpse into the genetic architecture, physiological impacts, and evolutionary origin of a complex incompatibility impacting naturally hybridizing species.

Abstract Teleost fishes, thanks to their rapid evolution of sex determination mechanisms, provide remarkable opportunities to study the formation of sex chromosomes and the mechanisms driving the birth of new master sex determining (MSD) genes. However, the evolutionary interplay between the sex chromosomes and the MSD genes they harbor is rather unexplored. We characterized a male-specific duplicate of the anti-Müllerian hormone ( amh) as the MSD gene in Northern Pike ( Esox lucius ), using genomic and expression evidences as well as by loss-of-function and gain-of-function experiments. Using RAD-Sequencing from a family panel, we identified Linkage Group (LG) 24 as the sex chromosome and positioned the sex locus in its sub-telomeric region. Furthermore, we demonstrated that this MSD originated from an ancient duplication of the autosomal amh gene, which was subsequently translocated to LG24. Using sex-specific pooled genome sequencing and a new male genome sequence assembled using Nanopore long reads, we also characterized the differentiation of the X and Y chromosomes, revealing a small male-specific insertion containing the MSD gene and a limited region with reduced recombination. Our study depicts an unexpected level of limited differentiation within a pair of sex chromosomes harboring an old MSD gene in a wild population of teleost fish, highlights the pivotal role of genes from the amh pathway in sex determination, as well as the importance of gene duplication as a mechanism driving the turnover of sex chromosomes in this clade. Author Summary In stark contrast to mammals and birds, teleosts have predominantly homomorphic sex chromosomes and display a high diversity of sex determining genes. Yet, population level knowledge of both the sex chromosome and the master sex determining gene is only available for the Japanese medaka, a model species. Here we identified and provided functional proofs of an old duplicate of anti-Müllerian hormone (Amh), a member of the Tgf-β family, as the male master sex determining gene in the Northern pike, Esox lucius . We found that this duplicate, named amhby (Y-chromosome-specific anti-Müllerian hormone paralog b), was translocated to the sub-telomeric region of the new sex chromosome, and now amhby shows strong sequence divergence as well as substantial expression pattern differences from its autosomal paralog, amha . We assembled a male genome sequence using Nanopore long reads and identified a restricted region of differentiation within the sex chromosome pair in a wild population. Our results provide insight on the conserved players in sex determination pathways, the mechanisms of sex chromosome turnover, and the diversity of levels of differentiation between homomorphic sex chromosomes in teleosts.