Abstract African cichlid fishes not only exhibit remarkably high rates of speciation but also have some of the fastest evolving sex determination systems in vertebrates. However, little is known empirically in cichlids about the genetic mechanisms generating new sex-determining variants, what forces dictate their fate, the demographic scales at which they evolve, and whether they are related to speciation. To address these questions, we looked for sex-associated loci in full genome data from 647 individuals of Astatotilapia calliptera from Lake Masoko, a small isolated crater lake in Tanzania, which contains two distinct ecomorphs of the species. We identified three separate XY systems on recombining chromosomes. Two Y alleles derive from mutations that increase expression of the gonadal soma-derived factor gene ( gsdf ) on chromosome 7; the first is a tandem duplication of the entire gene observed throughout much of the Lake Malawi haplochromine cichlid radiation to which A. calliptera belongs, and the second is a 5 kb insertion directly upstream of gsdf . Both the latter variant and another 700 bp insertion on chromosome 19 responsible for the third Y allele arose from transposable element insertions. Males belonging to the Masoko deep-water benthic ecomorph are determined exclusively by the gsdf duplication, whereas all three Y alleles are used in the Masoko littoral ecomorph, in which they appear to act antagonistically among males with different amounts of benthic admixture. This antagonism in the face of ongoing admixture may be important for sustaining multifactorial sex determination in Lake Masoko. In addition to identifying the molecular basis of three coexisting sex determining alleles, these results demonstrate that genetic interactions between Y alleles and genetic background can potentially affect fitness and adaptive evolution.

Abstract Epigenetic variation can alter transcription and promote phenotypic divergence between populations facing different environmental challenges. Here we assess the epigenetic basis of diversification during the early stages of speciation. We focus on the extent and functional relevance of DNA methylome divergence between two Astatotilapia calliptera ecomorphs in crater Lake Masoko, southern Tanzania. We report extensive genome-wide methylome divergence between populations linked to key biological processes, including transcriptional activity of ecologically-relevant genes. These include genes involved in steroid metabolism, haemoglobin composition and erythropoiesis, consistent with divergent habitat occupancy of the ecomorphs. Using a common garden experiment, we found that global methylation profiles are rapidly remodelled across generations, but ecomorph-specific differences can be inherited. Collectively, our study suggests an epigenetic contribution to early stages of vertebrate speciation. One sentence summary Inheritance and plasticity of epigenetic divergence characterise early stages of speciation in an incipient cichlid species of an African crater lake.

Abstract Despite reports of parental exposure to stress promoting physiological adaptations in progeny in diverse organisms, there remains considerable debate over the significance and evolutionary conservation of such multigenerational effects. Here, we investigate four independent models of intergenerational adaptations to stress in C. elegans – bacterial infection, eukaryotic infection, osmotic stress and nutrient stress – across multiple species. We found that all four intergenerational physiological adaptations are conserved in at least one other species, that they are stress-specific, and that they have deleterious trade-offs in mismatched environments. By profiling the effects of parental bacterial infection and osmotic stress exposure on progeny gene expression across species we established a core set of 279 highly conserved genes that exhibited intergenerational changes in expression in response to stress in all species tested and provide evidence suggesting that presumed adaptive and deleterious intergenerational effects are molecularly related at the gene expression level. By contrast, we found that these same stresses did not elicit any similarly conserved transgenerational changes in progeny gene expression three generations after stress exposure. We conclude that intergenerational responses to stress play a substantial and evolutionarily conserved role in regulating animal physiology and that the vast majority of the effects of parental stress on progeny gene expression are reversible and not maintained transgenerationally.

ABSTRACT Piwi-interacting RNAs (piRNAs) engage Piwi proteins to suppress transposons and non-self nucleic acids, maintain genome integrity, and are essential for fertility in a variety of organisms. In C. elegans most piRNA precursors are transcribed from two genomic clusters that contain thousands of individual piRNA transcription units. While a few genes have been shown to be required for piRNA biogenesis the mechanism of piRNA transcription remains elusive. Here we used functional proteomics approaches to identify an upstream sequence transcription complex (USTC) that is essential for piRNA biogenesis. The USTC complex contains PRDE-1, TOFU-4, TOFU-5 and SNPC-4. The USTC complex form a unique piRNA foci in germline nuclei and coat the piRNA cluster genomic loci. USTC factors associate with the Ruby motif just upstream of type I piRNA genes. USTC factors are also mutually dependent for binding to the piRNA clusters and to form the piRNA foci. Interestingly, USTC components bind differentially to piRNAs in the clusters and other non-coding RNA genes. These results reveal USTC as a striking example of the repurposing of a general transcription factor complex to aid in genome defence against transposons.

Abstract In animals, small RNA molecules termed PIWI-interacting RNAs (piRNAs) silence transposable elements (TEs), protecting the germline from genomic instability and mutation. piRNAs have been detected in the soma in a few animals, but these are believed to be specific adaptations of individual species. Here, we report that somatic piRNAs were likely present in the ancestral arthropod more than 500 million years ago. Analysis of 20 species across the arthropod phylum suggests that somatic piRNAs targeting TEs and mRNAs are common among arthropods. The presence of an RNA-dependent RNA polymerase in chelicerates (horseshoe crabs, spiders, scorpions) suggests that arthropods originally used a plant-like RNA interference mechanism to silence TEs. Our results call into question the view that the ancestral role of the piRNA pathway was to protect the germline and demonstrate that small RNA silencing pathways have been repurposed for both somatic and germline functions throughout arthropod evolution.

In many species, environmental stimuli can affect the germline and contribute to phenotypic changes in the offspring, without altering the genetic code. So far, little is known about which biological signals can link exposure to germ cells. Using a mouse model of postnatal trauma with transgenerational effects, we show that exposure alters lipid-based metabolites in blood of males and their non-exposed offspring. Comparable alterations are validated in serum and saliva of orphan children exposed to trauma. Peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) is identified as mediating the effects of metabolites alterations. Mimicking PPAR activation with a dual PPARα/γ agonist in vivo induces changes in the sperm transcriptome similarly to trauma, and reproduces metabolic phenotypes in the offspring. Injecting serum collected from adult males exposed to postnatal trauma into controls recapitulates metabolic phenotypes in the offspring. These results suggest conserved effects of early life adversity on blood metabolites, and causally involve paternal blood factors and PPAR nuclear receptor in phenotype heritability.

Small RNAs (sRNAs) play an ancient role in genome defence against transposable elements. In animals, plants and fungi small RNAs guide Argonaute proteins to nascent RNA transcripts to induce co-transcriptional gene silencing. In animals the link between small RNA pathways and the transcriptional machinery remains unclear. Here we show that the Caenorhabditis elegans germline Argonaute HRDE-1 physically interacts with the conserved RNA helicase Aquarius/EMB-4. We demonstrate that the Aquarius/EMB-4 helicase activity is required to initiate small RNA-induced co-transcriptional gene silencing. HRDE-1 and Aquarius/EMB-4 are required to silence the transcription of overlapping sets of transposable elements. Surprisingly, removal of introns from a small RNA pathway target abolishes the requirement for Aquarius/EMB-4, but not HRDE-1, for gene silencing. We conclude that the Aquarius/EMB-4 helicase activity allows HRDE-1/sRNA complexes to efficiently engage nascent RNA transcripts - in competition with the general RNA processing machinery. We postulate that Aquarius/EMB-4 facilitates the surveillance of the nascent transcriptome to detect and silence transposable elements through small RNA pathways.

Psychiatric diseases have a strong heritable component known to not be restricted to DNA sequence-based genetic inheritance alone but to also involve epigenetic factors in germ cells. Initial evidence suggested that sperm RNA is causally linked to the transmission of symptoms induced by traumatic experiences. Here we show that alterations in long RNA in sperm contribute to the inheritance of specific trauma symptoms. Injection of long RNA fraction from sperm of males exposed to postnatal trauma recapitulates the effects on food intake, glucose response to insulin and risk-taking in adulthood whereas the small RNA fraction alters body weight and behavioral despair. Alterations in long RNA are maintained after fertilization, suggesting a direct link between sperm and embryo RNA.

Repetitive sequences derived from transposons make up a large fraction of eukaryotic genomes and must be silenced to protect genome integrity. Repetitive elements are often found in heterochromatin; however, the roles and interactions of heterochromatin proteins in repeat regulation are poorly understood. Here we show that a diverse set of C. elegans heterochromatin proteins act together with the piRNA and nuclear RNAi pathways to silence repetitive elements and prevent genotoxic stress in the germ line. Mutants in genes encoding HPL-2/HP1, LIN-13, LIN-61, LET-418/Mi-2, and H3K9me2 histone methyltransferase MET-2/SETDB1 also show functionally redundant sterility, increased germline apoptosis, DNA repair defects, and interactions with small RNA pathways. Remarkably, fertility of heterochromatin mutants could be partially restored by inhibiting cep-1/p53, endogenous meiotic double strand breaks, or the expression of MIRAGE1 DNA transposons. Functional redundancy among these factors and pathways underlies the importance of safeguarding the genome through multiple means.

Cichlids fishes exhibit extensive phenotypic diversification and speciation. Encounters with new environments alone are not sufficient to explain this striking diversity of cichlid radiation because other taxa coexistent with the Cichlidae demonstrate lower species richness. Wagner et al analyzed cichlid diversification in 46 African lakes and reported that both extrinsic environmental factors and intrinsic lineage-specific traits related to sexual selection have strongly influenced the cichlid radiation 1​ ​, which indicates the existence of molecular mechanisms responsible for rapid phenotypic diversification and events leading to reproductive isolation. However discovery of the molecular mechanisms in terms of genetic or transcriptomic or proteomic diversity responsible for the rapid speciation in a short geological time has remained elusive. In this study we integrated transcriptomic and proteomic signatures from two cichlids species, identified novel open reading frames (nORFs) and performed evolutionary analysis on these nORF regions. Our results suggest that the time scale of speciation of the two species can be better explained by the evolutionary divergence of these nORF genomic regions. Therefore this study has revealed the potential functional and evolutionary role of nORFs, which has far reaching implications for such evolutionary and speciation studies that have traditionally been focussed on known protein coding regions.