The small ruminant parasite Haemonchus contortus is the most widely used parasitic nematode in drug discovery, vaccine development and anthelmintic resistance research. Its remarkable propensity to develop resistance threatens the viability of the sheep industry in many regions of the world and provides a cautionary example of the effect of mass drug administration to control parasitic nematodes. Its phylogenetic position makes it particularly well placed for comparison with the free-living nematode Caenorhabditis elegans and the most economically important parasites of livestock and humans. Here we report the detailed analysis of a draft genome assembly and extensive transcriptomic dataset for H. contortus. This represents the first genome to be published for a strongylid nematode and the most extensive transcriptomic dataset for any parasitic nematode reported to date. We show a general pattern of conservation of genome structure and gene content between H. contortus and C. elegans, but also a dramatic expansion of important parasite gene families. We identify genes involved in parasite-specific pathways such as blood feeding, neurological function, and drug metabolism. In particular, we describe complete gene repertoires for known drug target families, providing the most comprehensive understanding yet of the action of several important anthelmintics. Also, we identify a set of genes enriched in the parasitic stages of the lifecycle and the parasite gut that provide a rich source of vaccine and drug target candidates. The H. contortus genome and transcriptome provide an essential platform for postgenomic research in this and other important strongylid parasites.

Abstract Understanding the genetic basis of anthelmintic drug resistance in parasitic nematodes is key to improving the efficacy and sustainability of parasite control. Here, we use a genetic cross in a natural host-parasite system to simultaneously map resistance loci for the three major classes of anthelmintics. This approach identifies novel alleles for resistance to benzimidazoles and levamisole and implicates the transcription factor, cky-1 , in ivermectin resistance. This gene is within a locus under selection in ivermectin resistant populations worldwide; functional validation using knockout experiments supports a role for cky-1 overexpression in ivermectin resistance. Our work demonstrates the feasibility of high-resolution forward genetics in a parasitic nematode, and identifies variants for the development of molecular diagnostics to combat drug resistance in the field. One-Sentence Summary: Genetic mapping of known and novel anthelmintic resistance-associated alleles in a multi-drug resistant parasitic nematode

Abstract The antiparasitic drug ivermectin plays an essential role in human and animal health globally. However, ivermectin resistance is widespread in veterinary helminths and there are growing concerns of sub-optimal responses to treatment in related helminths of humans. Despite decades of research, the genetic mechanisms underlying ivermectin resistance are poorly understood in parasitic helminths. This reflects significant uncertainty regarding the mode of action of ivermectin in parasitic helminths, and the genetic complexity of these organisms; parasitic helminths have large, rapidly evolving genomes and differences in evolutionary history and genetic background can confound comparisons between resistant and susceptible populations. We undertook a controlled genetic cross of a multi-drug resistant and a susceptible reference isolate of Haemonchus contortus , an economically important gastrointestinal nematode of sheep, and ivermectin-selected the F2 population for comparison with an untreated F2 control. RNA-seq analyses of male and female adults of all populations identified high transcriptomic differentiation between parental isolates, which was significantly reduced in the F2, allowing differences associated specifically with ivermectin resistance to be identified. In all resistant populations, there was constitutive upregulation of a single gene, HCON_00155390:cky-1 , a putative pharyngeal-expressed transcription factor, in a narrow locus on chromosome V previously shown to be under ivermectin selection. In addition, we detected sex-specific differences in gene expression between resistant and susceptible populations, including constitutive upregulation of a P-glycoprotein, HCON_00162780:pgp-11 , in resistant males only. After ivermectin selection, we identified differential expression of genes with roles in neuronal function and chloride homeostasis, which is consistent with an adaptive response to ivermectin-induced hyperpolarisation of neuromuscular cells. Overall, we show the utility of a genetic cross to identify differences in gene expression that are specific to ivermectin selection and provide a framework to better understand ivermectin resistance and recovery in parasitic helminths. Author Summary Parasitic helminths (worms) infect people and animals throughout the world and are largely controlled with mass administration of anthelmintic drugs. There are a very limited number of anthelmintics available and parasitic helminths can rapidly develop resistance to these drugs. Ivermectin is a widely used anthelmintic in both humans and animals, but resistance is now widespread in the veterinary field. We crossed ivermectin resistant and ivermectin susceptible parasitic helminths and treated them with ivermectin or left them as untreated controls. This provided resistant and susceptible populations with a similar genetic background with which to study differences in gene expression associated with ivermectin resistance. We identified upregulation of a gene with no previous association with drug resistance ( HCON_00155390:cky-1 ) in male and female worms in all resistant populations. This gene is thought to be expressed in the helminth pharynx (mouthpart) and, in mammals, plays a role in controlling nerve function and protecting nerves from damage. This is consistent with the known effects of ivermectin in inhibiting helminth feeding through pharyngeal paralysis and implicates a novel mechanism that allows resistant worms to survive treatment.

Background Haemonchus contortus is a globally distributed and economically important gastrointestinal pathogen of small ruminants, and has become the key nematode model for studying anthelmintic resistance and other parasite-specific traits among a wider group of parasites including major human pathogens. Two draft genome assemblies for H. contortus were reported in 2013, however, both were highly fragmented, incomplete, and differed from one another in important respects. While the introduction of long-read sequencing has significantly increased the rate of production and contiguity of de novo genome assemblies broadly, achieving high quality genome assemblies for small, genetically diverse, outcrossing eukaryotic organisms such as H. contortus remains a significant challenge.Results Here, we report using PacBio long read and OpGen and 10X Genomics long-molecule methods to generate a highly contiguous 283.4 Mbp chromosome-scale genome assembly including a resolved sex chromosome. We show a remarkable pattern of almost complete conservation of chromosome content (synteny) with Caenorhabditis elegans , but almost no conservation of gene order. Long-read transcriptome sequence data has allowed us to define coordinated transcriptional regulation throughout the life cycle of the parasite, and refine our understanding of cis - and trans -splicing relative to that observed in C. elegans . Finally, we use this assembly to give a comprehensive picture of chromosome-wide genetic diversity both within a single isolate and globally.Conclusions The H. contortus MHco3(ISE).N1 genome assembly presented here represents the most contiguous and resolved nematode assembly outside of the Caenorhabditis genus to date, together with one of the highest-quality set of predicted gene features. These data provide a high-quality comparison for understanding the evolution and genomics of Caenorhabditis and other nematodes, and extends the experimental tractability of this model parasitic nematode in understanding pathogen biology, drug discovery and vaccine development, and important adaptive traits such as drug resistance.* BUSCO : Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs CCS : circular consensus sequencing CEGMA : Core Eukaryotic Genes Mapping Approach DCC : dosage compensation complex McMaster : draft genome assembly of the H. contortus Australian isolate McMaster, published in Schwarz et al. 2013 DSN : duplex-specific nuclease PCA : Principal component analysis SL : spliced leader V1 : version 1 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, published in Laing et al. 2013 V3 : version 3 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, unpublished V4 : version 4 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, presented here for the first time

Some nematode species are economically important parasites of livestock, while others are important human pathogens causing some of the most important neglected tropical diseases. In both humans and animals, anthelmintic drug administration is the main control strategy, but the emergence of drug-resistant worms has stimulated the development of alternative control approaches. Among these, vaccination is considered to be a sustainable and cost effective strategy. Currently, Barbervax® for the ruminant strongylid Haemonchus contortus is the only registered subunit vaccine for a nematode parasite, although a vaccine for the human hookworm Necator americanus is undergoing clinical trials (HOOKVAC consortium). As both these vaccines comprise a limited number of proteins there is potential for selection of nematodes with altered sequence or expression of the vaccine antigens. Here we compared the transcriptome of H. contortus populations from sheep vaccinated with Barbervax® with worms from control animals. Barbervax® antigens are native integral membrane proteins isolated from the brush border of the intestinal cells of the adult parasite and many of them are proteases. Our findings provide no evidence for changes in expression of genes encoding Barbervax® antigens in the surviving parasite populations. However, surviving parasites from vaccinated animals showed increased expression of other proteases and regulators of lysosome trafficking, and displayed up-regulated lipid storage and defecation abilities that may have circumvented the vaccine effect. Implications for other potential vaccines for human and veterinary nematodes are discussed.

SUMMARY Upon parasitic helminth infection, activated intestinal tuft cells secrete IL-25, which initiates a type 2 immune response during which lamina propria ILC2s produce IL-13. This causes epithelial remodelling, including tuft cell hyperplasia with an unknown function. We describe a novel cholinergic effector function of tuft cells, which we show are the only epithelial cells expressing Choline Acetyltransferase (ChAT). During parasite infections, mice with epithelial-specific deletion of ChAT have increased worm burden and faecal egg counts although they are able to mount a comparable type 2 immune response. Mechanistically, IL-13-amplified tuft cells release acetylcholine (ACh) into the gut lumen. We demonstrate a direct effect of ACh on worms, reducing their viability and fecundity via helminth muscarinic ACh receptors, with effects promoted by inhibition of acetylcholinesterase, an helminth-secreted enzyme. Thus, tuft cells are sentinels in naive mice, and their amplification upon helminth infections serves an additional type 2 immune response effector function.

Abstract The parasitic nematode Haemonchus contortus is an economically and clinically important pathogen of small ruminants, and a model system for understanding the mechanisms and evolution of traits such as anthelmintic resistance. Anthelmintic resistance is widespread and is a major threat to the sustainability of livestock agriculture globally; however, little is known about the genome architecture and parameters such as recombination that will ultimately influence the rate at which resistance may evolve and spread. Here we performed a genetic cross between two divergent strains of H. contortus , and subsequently used whole-genome re-sequencing of a female worm and her brood to identify the distribution of genome-wide variation that characterises these strains. Using a novel bioinformatic approach to identify variants that segregate as expected in a pseudo-testcross, we characterised linkage groups and estimated genetic distances between markers to generate a chromosome-scale F 1 genetic map composed of 1,618 SNPs. We exploited this map to reveal the recombination landscape, the first for any parasitic helminth species, demonstrating extensive variation in recombination rate within and between chromosomes. Analyses of these data also revealed the extent of polyandry, whereby at least eight males were found to have contributed to the genetic variation of the progeny analysed. Triploid offspring were also identified, which we hypothesise are the result of nondisjunction during female meiosis or polyspermy. These results expand our knowledge of the genetics of parasitic helminths and the unusual life-history of H. contortus, and will enable more precise characterisation of the evolution and inheritance of genetic traits such as anthelmintic resistance. This study also demonstrates the feasibility of whole-genome resequencing data to directly construct a genetic map in a single generation cross from a non-inbred non-model organism with a complex lifecycle. Author summary Recombination is a key genetic process, responsible for the generation of novel genotypes and subsequent phenotypic variation as a result of crossing over between homologous chromosomes. Populations of strongylid nematodes, such as the gastrointestinal parasites that infect livestock and humans, are genetically very diverse, but little is known about patterns of recombination across the genome and how this may contribute to the genetics and evolution of these pathogens. In this study, we performed a genetic cross to quantify recombination in the barber’s pole worm, Haemonchus contortus , an important parasite of sheep and goats. The reproductive traits of this worm make standard genetic crosses challenging, but by generating whole-genome sequence data from a female worm and her offspring, we identified genetic variants that act as though they come from a single mating cross, allowing the use of standard statistical approaches to build a genetic map and explore the distribution and rates of recombination throughout the genome. A number of genetic signatures associated with H. contortus life history traits were revealed in this analysis: we extend our understanding of multiple paternity (polyandry) in this species, and provide evidence and explanation for sporadic increases in chromosome complements (polyploidy) among the progeny. The resulting genetic map will aid in population genomic studies in general and enhance ongoing efforts to understand the genetic basis of resistance to the drugs used to control these worms, as well as for related species that infect humans throughout the world.