Abstract

 Tradeoffs have played a prominent role in the development of theories describing the evolution of reaction norms. Different classes of tradeoffs are known to constrain the evolution of phenotypes, but current theories incorporate only a subset of these tradeoffs. Consequently, these theories cannot account for some of the variation in reaction norms that has been observed within and among species. Empirical studies of thermal reaction norms for physiological and life historical traits have shown that different proximate mechanisms can produce similar reaction norms. As a consequence, certain tradeoffs can be circumvented when the fitness costs imposed by these tradeoffs are severe. We argue that a unified theory that includes all classes of tradeoffs would provide a better understanding of the mechanisms that drive the evolution of reaction norms.

Combining analysis of host proteome and transcriptome perturbations induced by tumour virus proteins with ongoing genome-wide studies of cancer facilitates the prioritization of cancer genes. This systematic search for host targets of tumour viruses, using proteome and transcriptome analyses of viral proteins from mammalian DNA viruses with transforming or tumorigenic properties, provides an extensive catalogue of changes in genetic and protein expression that can be screened against genome-wide studies of cancer. The study focuses on human papillomavirus, Epstein–Barr virus, adenovirus and polyomavirus. The resulting list of transforming viral protein targets identifies causal genes within both somatic and Mendelian cancer-associated loci. Genotypic differences greatly influence susceptibility and resistance to disease. Understanding genotype–phenotype relationships requires that phenotypes be viewed as manifestations of network properties, rather than simply as the result of individual genomic variations1. Genome sequencing efforts have identified numerous germline mutations, and large numbers of somatic genomic alterations, associated with a predisposition to cancer2. However, it remains difficult to distinguish background, or ‘passenger’, cancer mutations from causal, or ‘driver’, mutations in these data sets. Human viruses intrinsically depend on their host cell during the course of infection and can elicit pathological phenotypes similar to those arising from mutations3. Here we test the hypothesis that genomic variations and tumour viruses may cause cancer through related mechanisms, by systematically examining host interactome and transcriptome network perturbations caused by DNA tumour virus proteins. The resulting integrated viral perturbation data reflects rewiring of the host cell networks, and highlights pathways, such as Notch signalling and apoptosis, that go awry in cancer. We show that systematic analyses of host targets of viral proteins can identify cancer genes with a success rate on a par with their identification through functional genomics and large-scale cataloguing of tumour mutations. Together, these complementary approaches increase the specificity of cancer gene identification. Combining systems-level studies of pathogen-encoded gene products with genomic approaches will facilitate the prioritization of cancer-causing driver genes to advance the understanding of the genetic basis of human cancer.

Abstract We introduce a novel bioinformatics pipeline, STrain Resolution ON assembly Graphs (STRONG), which identifies strains de novo , when multiple metagenome samples from the same community are available. STRONG performs coassembly, followed by binning into metagenome assembled genomes (MAGs), but uniquely it stores the coassembly graph prior to simplification of variants. This enables the subgraphs for individual single-copy core genes (SCGs) in each MAG to be extracted. It can then thread back reads from the samples to compute per sample coverages for the unitigs in these graphs. These graphs and their unitig coverages are then used in a Bayesian algorithm, BayesPaths, that determines the number of strains present, their sequences or haplotypes on the SCGs and their abundances in each of the samples. Our approach both avoids the ambiguities of read mapping and allows more of the information on co-occurrence of variants in reads to be utilised than if variants were treated independently, whilst at the same time exploiting the correlation of variants across samples that occurs when they are linked in the same strain. We compare STRONG to the current state of the art on synthetic communities and demonstrate that we can recover more strains, more accurately, and with a realistic estimate of uncertainty deriving from the variational Bayesian algorithm employed for the strain resolution. On a real anaerobic digestor time series we obtained strain-resolved SCGs for over 300 MAGs that for abundant community members match those observed from long Nanopore reads.

We introduce a novel metagenomics assembler for high-accuracy long reads. Our approach, implemented as metaMDBG, combines highly efficient de Bruijn graph assembly in minimizer space, with both a multi-k' approach for dealing with variations in genome coverage depth and an abundance-based filtering strategy for simplifying strain complexity. The resulting algorithm is more efficient than the state-of-the-art but with better assembly results. metaMDBG was 1.5 to 12 times faster than competing assemblers and requires between one-tenth and one-thirtieth of the memory across a range of data sets. We obtained up to twice as many high-quality circularised prokaryotic metagenome assembled genomes (MAGs) on the most complex communities, and a better recovery of viruses and plasmids. metaMDBG performs particularly well for abundant organisms whilst being robust to the presence of strain diversity. The result is that for the first time it is possible to efficiently reconstruct the majority of complex communities by abundance as near-complete MAGs.

This study was designed to investigate the prevalence of members of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) in the environment of pastoralists and villagers in the Iringa district, adjacent to the Ruaha National Park in Tanzania. Utilising specific qPCR assays, both Mycobacterium bovis and Mycobacterium tuberculosis were detected in cattle faeces, boma soil, water and household dust. M. bovis was also found in goat faeces and goat boma soil. This is the first report of faecal shedding of M. bovis in goats and the first molecular survey of faecal shedding in cattle. The prevalence of both bacterial species varied by village, area, season and sample type. Geographical and temporal correlations across sample types were suggestive of cross species transmission. This non-invasive test has previously been rigorously validated for screening other mammals; in this study it has successfully been applied to detect M. bovis and M. tuberculosis in livestock faeces and the environment.

Abstract Recent evidence suggests that anthropogenic activity can increase the levels of antimicrobial resistance (AMR) in the environment. Rivers and waterways are significant examples of environmental settings that have become repositories of antibiotics and antibiotic resistance genes (ARGs). Our recent study quantified drug concentrations in freshwater samples taken at a range of sites located on the Thames catchment; the highest levels of antibiotics and other drugs were recorded downstream of waste water treatment plants (WWTPs). One specific antibiotic: Trimethoprim (TMP) was shown at elevated concentrations reaching 2000ng/L at particular sites. We have also shown a correlative relationship between the residue of TMP and the prevalence of sulfonamide antibiotic resistance genes such as sul1. Despite this, there is still no evidence of a causative relationship between TMP concentrations and the prevalence of the ARGs at river sites. The aim of the current study was to conduct in-depth analysis using a combination of large metagenomic, geospatial and chemical datasets, in order to conduct a comparison between those sites with the highest TMP and lowest TMP levels across the Thames catchment. We aimed to establish the proximity of these sites to WWTPs, their population equivalence (PE) and land coverage. A secondary aim was to investigate seasonal variation in TMP and ARGs. Exploring these factors will help to decipher the clinical relevance of ARG accumulation at river sites. A significant correlation was shown between TMP levels at river sites and their distance downstream from a WWTP. Three sites located on the Rivers Cut and Ray showed significantly higher TMP concentrations in winter compared to summer. The population equivalence (PE) for sites with the highest TMP levels was significantly higher than those with the lowest levels. The land coverage of sites with the highest TMP levels was significantly more urban/suburban than sites with the lowest TMP concentrations, which were found to be significantly more arable. Five ARGs relevant to TMP and sulfonamides were identified across the Thames catchment. The most prevalent ARG was sul1, which was significantly more prevalent in winter compared to summer. By contrast sul2 was found to be significantly more prevalent in summer compared to winter at a site on the River Coln. The prevalence of the class 1 integron marker gene (inti1) did not differ significantly by season or between sites with the highest/lowest TMP levels.

Abstract Escherichia coli Strain Type 131 are a globally disseminated environmental E. coli that has been linked to the capture and spread of plasmid mediated bla CTX-M type extended spectrum beta-lactamase (ESBLs). Accurately identifying such resistance genes in their wider genetic context provides a greater understanding of the mechanisms of selection and persistence in the environment. In this study we use a novel DNA extraction and enrichment method in combination with a custom long-read scaffold hybrid-assembly and polishing pipe line to identify the genetic context of the plasmid borne bla CTX-M gene previously identified in an ST131 environmental E. coli isolate. This has allowed us to discern the complete structure of a ~100kb environmental plasmid and further resolve the bla CTX-M variant to the group 9 bla CTX-M-27 gene. The upstream IS26 insertion element associated with the global capture and dissemination of bla CTX-M-15 was also identified in proximity to bla CTX-M-27 . Furthermore, the lack of conjugative machinery identified on this plasmid, in combination with a toxin-antitoxin and plasmid partitioning system, indicates a mechanism of vertical transmission to maintain persistence in a population.