Abstract During metazoan development, the cell cycle is remodelled to coordinate proliferation with differentiation. Developmental cues cause dramatic changes in the number and timing of replication initiation events, but the mechanisms and physiological importance of such changes are poorly understood. Cyclin-dependent kinase (CDK) is important for regulating S-phase length in many metazoa, and here we show in the nematode Caenorhabditis elegans that an essential function of CDK during early embryogenesis is to regulate the interactions between three replication initiation factors SLD-3, SLD-2 and MUS-101 (Dpb11/TopBP1). Mutations that bypass the requirement for CDK to generate interactions between these factors is sufficient for viability in the absence of CyclinE/Cdk2, demonstrating that this is a critical embryonic function of this cyclin/CDK complex. Both SLD-2 and SLD-3 are asymmetrically localised in the early embryo and the levels of these proteins inversely correlate with S-phase length. We also show that SLD-2 asymmetry is determined by direct interaction with the polarity protein PKC-3. This study explains the essential function of CDK for replication initiation in a metazoan and provides the first direct molecular mechanism through which polarization of the embryo is coordinated with DNA replication initiation. Author Summary How and when a cell divides changes as the cell assumes different fates. How these changes in cell division are brought about are poorly understood, but are critical to ensure that cells do not over-proliferate leading to cancer. The nematode C. elegans is an excellent system to study the role of cell cycle changes during animal development. Here we show that two factors SLD-2 and SLD-3 are critical to control the decision to begin genome duplication. We show that these factors are differently distributed to different cell lineages in the early embryo, which may be a key event in determining the cell cycle rate in these cells. For the first time we show that, PKC-3, a key component of the machinery that determines the front (anterior) from the back (posterior) of the embryo directly controls SLD-2 distribution, which might explain how the polarisation of the embryo causes changes in the proliferation of different cell lineages. As PKC-3 is frequently mutated in human cancers, how this factor controls cell proliferation may be important to understand tumour progression.

Abstract Host-parasite interactions exert strong selection pressures on the genomes of both host and parasite. These interactions can lead to increased fitness of rare alleles, resulting in negative frequency-dependent selection, a form of balancing selection that is hypothesised to explain the high levels of polymorphism seen in many host immune and parasite antigen loci. Despite their economic and ecological importance, there is limited evidence for balancing selection in parasitism-relevant genes in parasitic nematodes. Here, we sequenced the genomes of several individuals of Heligmosomoides bakeri , a parasite of house mice that is a well-established model parasitic nematode, and Heligmosomoides polygyrus , a closely related parasite of wood mice. We combined our single nematode genome assemblies with chromatin conformation capture (Hi-C) libraries derived from pools of individuals to generate chromosome-level reference genomes for both species. Although H. bakeri is commonly referred to as H. polygyrus in the literature, their genomes show levels of divergence that are consistent with millions of years of independent evolution. We found that the H. bakeri genome, which we expected to be highly homozygous through inbreeding, contained hundreds of hyper-divergent haplotypes, similar to those recently reported in free-living nematodes. Within these haplotypes, we found an enrichment of protein families that interact with the host immune response, including protease inhibitors and transthyretin-related proteins. We also found that many of these haplotypes originated prior to the divergence between H. bakeri and H. polygyrus , suggesting that they have been maintained since the last common ancestor of the two species by long-term balancing selection. Together, our results suggest that selection pressures exerted on parasites by their hosts have led to unexpected modes and levels of genetic diversity in the genomes of these economically and ecologically important species.

Abstract Heteromorphic sex chromosomes are usually thought to have originated from a pair of autosomes that acquired a sex-determining locus and subsequently stopped recombining, leading to degeneration of the sex-limited chromosome. In contrast, in rhabditid nematodes, sex is determined by an X-chromosome counting mechanism and males are hemizygous for one or more X chromosomes (XX/X0). Some species of filarial nematodes, including important parasites of humans, have heteromorphic XX/XY systems. It has been assumed that sex is determined by a Y-linked locus in these species. However, karyotypic analyses suggested that filarial Y chromosomes are derived from the unfused autosome following an X-to-autosome fusion. Here, we generated a chromosome-level reference genome for Litomosoides sigmodontis , a filarial nematode with the ancestral filarial karyotype and sex determination mechanism (XX/X0). We mapped the assembled chromosomes to the rhabditid nematode ancestral linkage (or Nigon) elements. We found that the L. sigmodontis X chromosome was formed from a fusion of NigonX (the ancestrally X-linked element) and NigonD (ancestrally autosomal) that occurred in the last common ancestor of all filarial nematodes. In the two filarial lineages with XY systems, the X chromosomes were formed from two recent and independent fusions of the ancestral X chromosome with different autosomal Nigon elements. In both lineages, the region shared by the neo-X and neo-Y chromosomes is within the ancestrally autosomal portion of the X, confirming that the filarial Y chromosomes are derived from unfused autosomes. Sex determination in XY filarial nematodes therefore likely continues to operate via the ancestral X-chromosome counting mechanism, rather than via a neo-Y-linked sex-determining locus.