Direct comparisons of human and non-human primate brains can reveal molecular pathways underlying remarkable specializations of the human brain. However, chimpanzee tissue is inaccessible during neocortical neurogenesis when differences in brain size first appear. To identify human-specific features of cortical development, we leveraged recent innovations that permit generating pluripotent stem cell-derived cerebral organoids from chimpanzee. Despite metabolic differences, organoid models preserve gene regulatory networks related to primary cell types and developmental processes. We further identified 261 differentially expressed genes in human compared to both chimpanzee organoids and macaque cortex, enriched for recent gene duplications, and including multiple regulators of PI3K-AKT-mTOR signaling. We observed increased activation of this pathway in human radial glia, dependent on two receptors upregulated specifically in human: INSR and ITGB8. Our findings establish a platform for systematic analysis of molecular changes contributing to human brain development and evolution.

Abstract A long-standing question in evolutionary biology is how differences in multiple traits can evolve quickly and be maintained together during local adaptation. Using forest and prairie ecotypes in deer mice, which differ in both tail length and coat color, we discovered a 41 Mb chromosomal inversion that is strongly linked to variation in both traits. The inversion maintains highly divergent loci in strong linkage disequilibrium and likely originated ~170 kya, long before the forest-prairie divergence ~10 kya. Consistent with a role in local adaptation, inversion frequency is associated with phenotype and habitat across both a local transect and the species range. Still, although eastern and western forest subspecies share similar phenotypes, the inversion is absent in eastern North America. This work highlights the significance of inversion polymorphisms for the establishment and maintenance of multiple locally adaptive traits in mammals, and demonstrates that, even within a species, parallel phenotypes may evolve through nonparallel genetic mechanisms.

Abstract Chromosomal inversions are an important form of structural variation that can affect recombination, chromosome structure and fitness. However, because inversions can be challenging to detect, the prevalence and hence significance of inversions segregating within species remains largely unknown, especially in natural populations of mammals. Here, by combining population-genomic and long-read sequencing analyses in a single, widespread species of deer mouse ( Peromyscus maniculatus ), we identified 21 polymorphic inversions, which are large (1.5-43.8 Mb) and cause near complete suppression of recombination when heterozygous (0-0.03 cM/Mb). We found that inversion breakpoints frequently occur in centromeric and telomeric regions and are often flanked by long inverted repeats (0.5-50 kb), suggesting that they likely arose via ectopic recombination. By genotyping the inversions in populations across the species’ range, we found that the inversions are often widespread, do not harbor deleterious mutational loads, and many are likely maintained as polymorphisms by divergent selection. Comparisons of forest and prairie ecotypes of deer mice revealed 13 inversions that contribute to differentiation between populations, of which five exhibit significant associations with traits implicated in local adaptation. Together, we found that inversion polymorphisms have a significant impact on recombination, genome structure and genetic diversity in deer mice, and likely facilitate local adaptation across this species’ widespread range.

SUMMARY Variation in the size and number of axial segments underlies much of the diversity in animal body plans. Here, we investigate the evolutionary, genetic, and developmental mechanisms driving tail-length differences between forest and prairie ecotypes of deer mice ( Peromyscus maniculatus ). We first show that long-tailed forest mice perform better in an arboreal locomotion assay, consistent with tails being important for balance during climbing. The long tails of these forest mice consist of both longer and more caudal vertebrae than prairie mice. Using quantitative genetics, we identify six genomic regions that contribute to differences in total tail length, three of which associate with vertebra length and the other three with vertebra number. For all six loci, the forest allele increases tail length, consistent with the cumulative effect of natural selection. Two of the genomic regions associated with variation in vertebra number contain Hox gene clusters. Of those, we find an allele-specific decrease in Hoxd13 expression in the embryonic tail bud of long-tailed forest mice, consistent with its role in axial elongation. Additionally, we find that forest embryos have more presomitic mesoderm than prairie embryos, and that this correlates with an increase in the number of neuromesodermal progenitors (NMPs), which are modulated by Hox13 paralogs. Together, these results suggest a role for Hoxd13 in the development of natural variation in adaptive morphology on a microevolutionary timescale. HIGHLIGHTS In deer mice, the long-tailed forest ecotype outperforms the short-tailed prairie ecotype in climbing, consistent with the tail’s role in balance. Long tails are due to mutations on distinct chromosomes that affect either length or number of caudal vertebrae. QTL mapping identifies Hox clusters, one gene of which – Hoxd13 – shows low allele-specific expression in the embryonic tail bud of forest mice. Forest mouse embryos have a larger presomitic mesoderm (PSM), likely mediated by a larger progenitor population (NMPs) and lower Hoxd13 levels.

Abstract The question of how evolution builds complex behaviors has long fascinated biologists. To address this question from a genetic perspective, we capitalize on variation in innate burrowing behavior between two sister species of Peromyscus mice: P. maniculatus that construct short, simple burrows and P. polionotus that uniquely construct long, elaborate burrows. We identify three regions of the genome associated with differences in burrow length and then narrow in on one large-effect 12-Mb locus on chromosome 4. By introgressing the P. polionotus allele into a P. maniculatus background, we demonstrate this locus, on its own, increases burrow length by 20%. Next, by recording mice digging in a transparent tube, we find this locus has specific effects on burrowing behavior. This locus does not affect time spent digging or latency to dig, but rather affects usage of only two of the primary digging behaviors that differ between the focal species: forelimb digging, which loosens substrate, and hindlimb kicking, which powerfully ejects substrate. This locus has an especially large effect on hindkicking, explaining 56% and 22% of interspecific differences in latency and proportion of hindkicks, respectively. Together, these data provide genetic support for the hierarchical organization of complex behaviors, offering evolution the opportunity to tinker with specific behavioral components.

Large genomic rearrangements, such as chromosomal inversions, can play a key role in evolution and often underlie karyotype variation, but the mechanisms by which these rearrangements arise remain poorly understood. To study the origins of inversions, we generated chromosome-level de novo genome assemblies for four subspecies of deer mice ( Peromyscus maniculatus ) with known inversion polymorphisms. We identified ~8,000 inversions, including 47 mega-base scale inversions, that together affect ~30% of the genome. Analysis of inversion breakpoints suggests that while most small (<1 Mb) inversions arise via ectopic recombination between retrotransposons, large (>1 Mb) inversions are primarily associated with segmental duplications (SDs). Large inversion breakpoints frequently occur near centromeres, which may be explained by an accumulation of transposable elements in pericentromeric regions driving SD formation. Additionally, multiple large inversions likely arose from ectopic recombination between near-identical centromeric satellite arrays located megabases apart, a previously uncharacterized mechanism of inversion formation. Together, our results illuminate how repeats give rise to massive shifts in chromosome architecture.

Direct comparisons of human and non-human primate brain tissue have the potential to reveal molecular pathways underlying remarkable specializations of the human brain. However, chimpanzee tissue is largely inaccessible during neocortical neurogenesis when differences in brain size first appear. To identify human-specific features of cortical development, we leveraged recent innovations that permit generating pluripotent stem cell-derived cerebral organoids from chimpanzee. First, we systematically evaluated the fidelity of organoid models to primary human and macaque cortex, finding organoid models preserve gene regulatory networks related to cell types and developmental processes but exhibit increased metabolic stress. Second, we identified 261 genes differentially expressed in human compared to chimpanzee organoids and macaque cortex. Many of these genes overlap with human-specific segmental duplications and a subset suggest increased PI3K/AKT/mTOR activation in human outer radial glia. Together, our findings establish a platform for systematic analysis of molecular changes contributing to human brain development and evolution.