Skates are cartilaginous fish whose novel body plan features remarkably enlarged wing-like pectoral fins that allow them to thrive in benthic environments. The molecular underpinnings of this unique trait, however, remain elusive. Here we investigate the origin of this phenotypic innovation by developing the little skate Leucoraja erinacea as a genomically enabled model. Analysis of a high-quality chromosome-scale genome sequence for the little skate shows that it preserves many ancestral jawed vertebrate features compared with other sequenced genomes, including numerous ancient microchromosomes. Combining genome comparisons with extensive regulatory datasets in developing fins (gene expression, chromatin occupancy and three-dimensional (3D) conformation) we find skate-specific genomic rearrangements that alter the 3D regulatory landscape of genes involved in the planar cell polarity (PCP) pathway. Functional inhibition of PCP signaling resulted in marked reduction of anterior fin size, confirming this pathway as a major contributor of batoid fin morphology. We also identified a fin-specific enhancer that interacts with 3' HOX genes, consistent with the redeployment of Hox gene expression in anterior pectoral fins, and confirmed the potential of this element to activate transcription in the anterior fin using zebrafish reporter assays. Our findings underscore the central role of genome reorganizations and regulatory variation in the evolution of phenotypes, shedding light on the molecular origin of an enigmatic trait.

ABSTRACT Mammalian sperm exhibit an unusual and heavily-compacted genomic packaging state. In addition to its role in organizing the compact and hydrodynamic sperm head, it has been proposed that sperm chromatin architecture helps to program gene expression in the early embryo. Scores of genome-wide surveys in sperm have reported patterns of chromatin accessibility, histone localization, histone modification, and chromosome folding. Here, we revisit these studies in light of recent reports that sperm obtained from the mouse epididymis are contaminated with low levels of cell-free chromatin. In the absence of proper sperm lysis we readily recapitulate multiple prominent genome-wide surveys of sperm chromatin, suggesting that these profiles primarily reflect contaminating cell-free chromatin. Removal of cell-free DNA, along with appropriate lysis conditions, are required to reveal a sperm chromatin state distinct from most previous reports. Using ATAC-Seq to explore relatively accessible genomic loci, we identify a landscape of open loci associated with early development and transcriptional control. Histone modification and chromosome folding studies also strongly support the hypothesis that prior studies suffer from contamination, but technical challenges associated with reliably preserving the architecture of the compacted sperm head prevent us from confidently assaying true localization patterns for these epigenetic marks. Together, our studies strongly argue that our knowledge of mammalian chromosome packaging remains largely incomplete, and motivate future efforts to more accurately characterize genome organization in mature sperm.