Abstract In numerous instances, tracking the biological significance of a nucleic acid sequence can be augmented through the identification of environmental niches in which the sequence of interest is present. Many metagenomic datasets are now available, with deep sequencing of samples from diverse biological niches. While any individual metagenomic dataset can be readily queried using web-based tools, meta-searches through all such datasets are less accessible. In this brief communication, we demonstrate such a meta-meta-genomic approach, examining close matches to the Wuhan coronavirus 2019-nCoV in all high-throughput sequencing datasets in the NCBI Sequence Read Archive accessible with the keyword “virome”. In addition to the homology to bat coronaviruses observed in descriptions of the 2019-nCoV sequence (F. Wu et al. 2020, Nature, doi.org/10.1038/s41586-020-2008-3; P. Zhou et al. 2020, Nature, doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7), we note a strong homology to numerous sequence reads in a metavirome dataset generated from the lungs of deceased Pangolins reported by Liu et al. (Viruses 11:11, 2019, http://doi.org/10.3390/v11110979 ). Our observations are relevant to discussions of the derivation of 2019-nCoV and illustrate the utility and limitations of meta-metagenomic search tools in effective and rapid characterization of potentially significant nucleic acid sequences. Importance Meta-metagenomic searches allow for high-speed, low-cost identification of potentially significant biological niches for sequences of interest.

A critical question in biology is how new traits evolve, but studying this in wild animals remains challenging. Here, we probe the genetic basis of trait gain in sea robin fish, which have evolved specialized leg-like appendages for locomotion and digging along the ocean floor. We use genome sequencing, transcriptional profiling, and interspecific hybrid analysis to explore the molecular and developmental basis of leg formation. We identified the ancient, conserved transcription factor tbx3a as a major determinant of sensory leg development. Genome editing confirms that tbx3a is required for normal leg formation in sea robins, and for formation of enlarged central nervous system lobes, sensory papillae, and adult digging behavior. Our study establishes sea robins as a model organism for studying the evolution of major trait gain and illustrates how ancient developmental control genes can underlie novel organ formation.

Summary Neuron-enriched microRNAs (miRNAs), miR-9/9* and miR-124 (miR-9/9*-124), direct cell fate switching of human fibroblasts to neurons when ectopically expressed by repressing anti-neurogenic genes. How these miRNAs function after the onset of the transcriptome switch to a neuronal fate remains unclear. Here, we identified direct targets of miRNAs by Argonaute (AGO) HITS-CLIP as reprogramming cells activate the neuronal program and reveal the role of miR-124 that directly promotes the expression of its target genes associated with neuronal development and function. The mode of miR-124 as a positive regulator is determined by a neuron-enriched RNA-binding protein, ELAVL3, that interacts with AGO and binds target transcripts, whereas the non-neuronal ELAVL1 counterpart fails to elevate the miRNA-target gene expression. Although existing literature indicate that miRNA-ELAVL1 interaction can result in either target gene upregulation or downregulation in a context-dependent manner, we specifically identified neuronal ELAVL3 as the driver for miRNA target gene upregulation in neurons. In primary human neurons, repressing miR-124 and ELAVL3 led to the downregulation of genes involved in neuronal function and process outgrowth, and cellular phenotypes of reduced inward currents and neurite outgrowth. Results from our study support the role of miR-124 promoting neuronal function through positive regulation of its target genes.

How nervous systems evolved is a central question in biology. An increasing diversity of synaptic proteins is thought to play a central role in the formation of specific synapses leading to nervous system complexity. The largest animal genes, often spanning millions of base pairs, are known to be enriched for expression in neurons at synapses and are frequently mutated or misregulated in neurological disorders and diseases. While many of these genes have been studied independently in the context of nervous system evolution and disease, general principles underlying their parallel evolution remain unknown. To investigate this, we directly compared orthologous gene sizes across eukaryotes. By comparing relative gene sizes within organisms, we identified a distinct class of large genes with origins predating the diversification of animals and in many cases the emergence of dedicated neuronal cell types. We traced this class of ancient large genes through evolution and found orthologs of the large synaptic genes driving the immense complexity of metazoan nervous systems, including in humans and cephalopods. Moreover, we found that while these genes are evolving under strong purifying selection as demonstrated by low dN/dS scores, they have simultaneously grown larger and gained the most isoforms in animals. This work provides a new lens through which to view this distinctive class of large and multi-isoform genes and demonstrates how intrinsic genomic properties, such as gene length, can provide flexibility in molecular evolution and allow groups of genes and their host organisms to evolve toward complexity.

Although the primary protein sequence of ubiquitin (Ub) is extremely stable over evolutionary time, it is highly tolerant to mutation during selection experiments performed in the laboratory. We have proposed that this discrepancy results from the difference between fitness under laboratory culture conditions and the selective pressures in changing environments over evolutionary time scales. Building on our previous work (Mavor et al. 2016), we used deep mutational scanning to determine how twelve new chemicals reveal novel mutational sensitivities of ubiquitin residues. We found sensitization of Lys63 in eight new conditions. In total, our experiments have uncovered a highly sensitizing condition for every position in Ub except Ser57 and Gln62. By determining the Ubiquitin fitness landscape under different chemical constraints, our work helps to resolve the inconsistencies between deep mutational scanning experiments and sequence conservation over evolutionary timescales.

Abstract The genetic mechanisms underlying striking axial patterning changes in wild species are still largely unknown. Previous studies have shown that Apeltes quadracus fish, commonly known as fourspine sticklebacks, have evolved multiple different axial patterns in wild populations. Here, we revisit classic locations in Nova Scotia, Canada, where both high-spined and low-spined morphs are particularly common. Using genetic crosses and quantitative trait locus (QTL) mapping, we examine the genetic architecture of wild differences in several axial patterning traits, including the number and length of prominent dorsal spines, the number of underlying median support bones (pterygiophores), and the number and ratio of abdominal and caudal vertebrae along the anterior–posterior body axis. Our studies identify a highly significant QTL on chromosome 6 that controls a substantial fraction of phenotypic variation in multiple dorsal spine and pterygiophore traits (~15%–30% variance explained). An additional smaller-effect QTL on chromosome 14 contributes to the lengths of both the last dorsal spine and anal spine (~9% variance explained). 1 or no QTL were detected for differences in the numbers of abdominal and caudal vertebrae. The major-effect patterning QTL on chromosome 6 is centered on the HOXDB gene cluster, where sequence changes in a noncoding axial regulatory enhancer have previously been associated with prominent dorsal spine differences in Apeltes. The QTL that have the largest effects on dorsal spine number and length traits map to different chromosomes in Apeltes and Gasterosteus, 2 distantly related stickleback genera. However, in both genera, the major-effect QTL for prominent skeletal changes in wild populations maps to linked clusters of powerful developmental control genes. This study, therefore, bolsters the body of evidence that regulatory changes in developmental gene clusters provide a common genetic mechanism for evolving major morphological changes in natural species.

Summary A major goal in biology is to understand how organisms evolve novel traits. Multiple studies have identified genes contributing to regressive evolution, the loss of structures that existed in a recent ancestor. However, fewer examples exist for genes underlying constructive evolution, the gain of novel structures and capabilities in lineages that previously lacked them. Sea robins are fish that have evolved enlarged pectoral fins, six mobile locomotory fin rays (legs) and six novel macroscopic lobes in the central nervous system (CNS) that innervate the corresponding legs. Here, we establish successful husbandry and use a combination of transcriptomics, CRISPR-Cas9 editing, and behavioral assays to identify key transcription factors that are required for leg formation and function in sea robins. We also generate hybrids between two sea robin species with distinct leg morphologies and use allele-specific expression analysis and gene editing to explore the genetic basis of species-specific trait diversity, including a novel sensory gain of function. Collectively, our study establishes sea robins as a new model for studying the genetic basis of novel organ formation, and demonstrates a crucial role for the conserved limb gene tbx3a in the evolution of chemosensory legs in walking fish.