The genome of the crenarchaeon Sulfolobus solfataricus P2 contains 2,992,245 bp on a single chromosome and encodes 2,977 proteins and many RNAs. One-third of the encoded proteins have no detectable homologs in other sequenced genomes. Moreover, 40% appear to be archaeal-specific, and only 12% and 2.3% are shared exclusively with bacteria and eukarya, respectively. The genome shows a high level of plasticity with 200 diverse insertion sequence elements, many putative nonautonomous mobile elements, and evidence of integrase-mediated insertion events. There are also long clusters of regularly spaced tandem repeats. Different transfer systems are used for the uptake of inorganic and organic solutes, and a wealth of intracellular and extracellular proteases, sugar, and sulfur metabolizing enzymes are encoded, as well as enzymes of the central metabolic pathways and motility proteins. The major metabolic electron carrier is not NADH as in bacteria and eukarya but probably ferredoxin. The essential components required for DNA replication, DNA repair and recombination, the cell cycle, transcriptional initiation and translation, but not DNA folding, show a strong eukaryal character with many archaeal-specific features. The results illustrate major differences between crenarchaea and euryarchaea, especially for their DNA replication mechanism and cell cycle processes and their translational apparatus.

Cryptophyte and chlorarachniophyte algae are transitional forms in the widespread secondary endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of eukaryotic algae. Unlike most secondary plastid-bearing algae, miniaturized versions of the endosymbiont nuclei (nucleomorphs) persist in cryptophytes and chlorarachniophytes. To determine why, and to address other fundamental questions about eukaryote–eukaryote endosymbiosis, we sequenced the nuclear genomes of the cryptophyte Guillardia theta and the chlorarachniophyte Bigelowiella natans. Both genomes have >21,000 protein genes and are intron rich, and B. natans exhibits unprecedented alternative splicing for a single-celled organism. Phylogenomic analyses and subcellular targeting predictions reveal extensive genetic and biochemical mosaicism, with both host- and endosymbiont-derived genes servicing the mitochondrion, the host cell cytosol, the plastid and the remnant endosymbiont cytosol of both algae. Mitochondrion-to-nucleus gene transfer still occurs in both organisms but plastid-to-nucleus and nucleomorph-to-nucleus transfers do not, which explains why a small residue of essential genes remains locked in each nucleomorph. Sequencing the nuclear genomes of Guillardia theta and Bigelowiella natans, transitional forms in the endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of certain eukaryotic algae, reveals unprecedented alternative splicing for a single-celled organism (B. natans) and extensive genetic and biochemical mosaicism, shedding light on why nucleomorphs persist in these species but not other algae. This paper presents the sequences of the nuclear genomes of two eukaryotic microbes of remarkable genetic and cellular complexity, Guillardia and Bigelowiella. These algae are transitional forms in the endosymbiotic acquisition of photosynthesis by engulfment of eukaryotic algae, and possess four genomes: mitochondrial and plastid (chloroplast) genomes, a nuclear genome of host origin and a miniaturized 'nucleomorph' genome of endosymbiotic origin. Analyses reveal unprecedented alternative splicing for a single-celled organism, and extensive genetic and biochemical mosaicism. Whereas the mitochondrion-to-nucleus gene transfer continues in both organisms, plastid-to-nucleus and nucleomorph-to-nucleus transfers have ceased, explaining nucleomorph persistence.

Abstract Cells must replicate and segregate their DNA with precision. In eukaryotes, these processes are part of a regulated cell-cycle that begins at S-phase with the replication of DNA and ends after M-phase. Previous studies showed that these processes were present in the last eukaryotic common ancestor and the core parts of their molecular systems are conserved across eukaryotic diversity. However, some unicellular parasites, such as the metamonad Giardia intestinalis , have secondarily lost components of the DNA processing and segregation apparatuses. To clarify the evolutionary history of these systems in these unusual eukaryotes, we generated a high-quality draft genome assembly for the free-living metamonad Carpediemonas membranifera and carried out a comparative genomics analysis. We found that parasitic and free-living metamonads harbor a conspicuously incomplete set of canonical proteins for processing and segregating DNA. Unexpectedly, Carpediemonas species are further streamlined, lacking the origin recognition complex, Cdc6 and other replisome components, most structural kinetochore subunits including the Ndc80 complex, as well as several canonical cell-cycle checkpoint proteins. Carpediemonas is the first eukaryote known to have lost this large suite of conserved complexes, suggesting that it has a highly unusual cell cycle and that unlike any other known eukaryote, it must rely on novel or alternative set of mechanisms to carry out these fundamental processes.

Abstract Symbiotic relationships drive evolutionary change and are important sources of novelty. Here we demonstrate a highly structured syntrophic symbiosis between species of the anaerobic protist Anaeramoeba (Anaeramoebae, Metamonada) and bacterial ectosymbionts. We dissected this symbiosis with long-read metagenomics, transcriptomics of host and symbiont cells coupled with fluorescent in situ hybridization (FISH), and microscopy. Genome sequencing, phylogenomic analyses and FISH show that the symbionts belong to the Desulfobacteraceae and were acquired independently in two different Anaeramoeba species. We show that ectosymbionts likely reside deep within cell surface invaginations in a symbiosomal membrane network that is tightly associated with cytoplasmic hydrogenosomes. Metabolic reconstructions based on the genomes and transcriptomes of the symbionts suggest a highly evolved syntrophic interaction. Host hydrogenosomes likely produce hydrogen, acetate, and propionate that are consumed by the symbionts dissimilatory sulfate reduction, Wood-Ljungdahl and methylmalonyl pathways, respectively. Because the host genome sequences encode several vitamin B12-dependent enzymes but appear to lack the ability to biosynthesize this vitamin, we hypothesize that the symbionts supply their hosts with B12. We detected numerous lateral gene transfers from diverse bacteria to Anaeramoeba , including genes involved in oxygen defense and anaerobic metabolism. Gene families encoding membrane-trafficking components that regulate the phagosomal maturation machinery are notably expanded in Anaeramoeba spp. and may be involved in organizing and/or stabilizing the symbiosomal membrane system. Overall, the Anaeramoebae have evolved a dynamic symbiosome comprised of a vacuolar system that facilitates positioning and maintenance of sulfate-reducing bacterial ectosymbionts.

Abstract The unicellular amoeba Acanthamoeba castellanii is ubiquitous in aquatic environments, where it preys on bacteria. The organism also hosts bacterial endosymbionts, some of which are parasitic, including human pathogens such as Chlamydia and Legionella spp. Here we report complete, high quality genome sequences for two extensively studied A. castellanii strains, Neff and C3. Combining long- and short-read data with Hi-C, we generated near chromosome-level assemblies for both strains with 90% of the genome contained in 29 scaffolds for the Neff strain and 31 for the C3 strain. Comparative genomics revealed strain-specific functional enrichment, most notably genes related to signal transduction in the C3 strain, and to viral replication in Neff. Furthermore, we characterized the spatial organization of the A. castellanii genome and showed that it is reorganized during infection by Legionella pneumophila. Infection-dependent chromatin loops were found to be enriched in genes for signal transduction and phosphorylation processes. In genomic regions where chromatin organization changed during Legionella infection, we found functional enrichment for genes associated with metabolism, organelle assembly, and cytoskeleton organization, suggesting that changes in chromosomal folding are associated with host cell biology during infection.

Metamonads are a diverse group of heterotrophic microbial eukaryotes adapted to living in hypoxic environments. All metamonads but one harbour metabolically altered 'mitochondrion-related organelles' (MROs) with reduced functions, however the degree of reduction varies. Here, we generate high-quality draft genomes, transcriptomes, and predicted proteomes for five recently discovered free-living metamonads. Phylogenomic analyses placed these organisms in a group we name the 'BaSk' (Barthelonids+Skoliomonads) clade, a deeply branching sister group to the Fornicata, a phylum that includes parasitic and free-living flagellates. Bioinformatic analyses of gene models shows that these organisms are predicted to have extremely reduced MRO proteomes in comparison to other free-living metamonads. Loss of the mitochondrial iron-sulfur cluster assembly system in some organisms in this group appears to be linked to the acquisition in their common ancestral lineage of a SUF-like minimal system Fe/S cluster pathway by lateral gene transfer. One of the isolates, Skoliomonas litria, appears to have lost all other known MRO pathways. No proteins were confidently assigned to the predicted MRO proteome of this organism suggesting that the organelle has been lost. The extreme mitochondrial reduction observed within this free-living anaerobic protistan clade demonstrates that mitochondrial functions may be completely lost even in free-living organisms.

Abstract Metamonads are a diverse group of heterotrophic microbial eukaryotes adapted to living in hypoxic environments. All metamonads but one harbour metabolically altered ‘mitochondrion-related organelles’ (MROs) with reduced functions relative to aerobic mitochondria, however the degree of reduction varies markedly over the metamonad tree. To further investigate metamonad MRO diversity, we generated high quality draft genomes, transcriptomes, and predicted proteomes for five recently discovered free-living metamonads. Phylogenomic analyses place these organisms in a clade sister to the Fornicata – a group of metamonads that includes parasitic and free-living diplomonads and Carpediemonas -like organisms. Extensive bioinformatic analyses of the manually curated gene models showed that these organisms have extremely reduced MROs in comparison to other free-living metamonads. Loss of the mitochondrial iron-sulfur cluster (ISC) assembly system in some organisms in this group appears to be linked to the acquisition in their common ancestral lineage of a SUF-like minimal system (SMS) Fe/S cluster pathway through lateral gene transfer (LGT). One of the isolates, named ‘RC’, appears to have undergone even more drastic mitochondrial reduction losing almost all other detectable MRO-related functions. The extreme mitochondrial reduction observed within this free-living anaerobic protistan clade is unprecedented and demonstrates that mitochondrial functions, under some conditions, can be almost completely lost even in free-living organisms.

Many viruses inhibit general host gene expression to limit innate immune responses and gain preferential access to the cellular translational apparatus for their own protein synthesis. This process is known as host shutoff. Influenza A viruses (IAVs) encode two host shutoff proteins: nonstructural protein 1 (NS1) and polymerase acidic X (PA-X). NS1 inhibits host nuclear pre-messenger RNA maturation and export, and PA-X is an endoribonuclease that preferentially cleaves host spliced nuclear and cytoplasmic messenger RNAs. Emerging evidence suggests that in circulating human IAVs NS1 and PA-X co-evolve to ensure optimal magnitude of general host shutoff without compromising viral replication that relies on host cell metabolism. However, the functional interplay between PA-X and NS1 remains unexplored. In this study, we sought to determine if NS1 function has a direct effect on PA-X activity by analyzing host shutoff in A549 cells infected with wild type or mutant IAVs with NS1 effector domain deletion. This was done using conventional quantitative reverse transcription polymerase chain reaction techniques and direct RNA sequencing using nanopore technology. Our previous research on the molecular mechanisms of PA-X function identified two prominent features of IAV infected cells: nuclear accumulation of cytoplasmic poly(A) binding protein (PABPC1) and increase in nuclear poly(A) RNA abundance relative to the cytoplasm. Here we demonstrate that NS1 effector domain function augments PA-X host shutoff and is necessary for nuclear PABPC1 accumulation. By contrast, nuclear poly(A) RNA accumulation is not dependent on either NS1 or PA-X mediated host shutoff and is accompanied by nuclear retention of viral transcripts. Our study demonstrates for the first time that NS1 and PA-X effects on host gene expression are not simply additive and that these factors functionally interact in mediating host shutoff.