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 Background Retinoic acid (RA) functions as a ligand for the nuclear RA receptors (RARs), which regulate the expression of target genes by binding to RA response elements. RA signaling is required for multiple processes during chordate embryonic development, such as body axis extension, hindbrain antero-posterior patterning and forelimb bud initiation. Although some RA target genes have been identified, little is known about the genome-wide effects of RA signaling during in vivo embryonic development. Results Here we stimulate the RA pathway during development by treating zebrafish embryos with all-trans-RA (atRA), the most abundant form of RA, and use a combination of RNA-seq, ATAC-seq, ChIP-seq and HiChIP to gain insight into the molecular mechanisms by which RA signaling control target gene expression. We find that RA signaling is involved in anterior/posterior patterning and development of the central nervous system, participating in the transition from pluripotency to differentiation. atRA treatment also induces alterations in chromatin accessibility during early development and promotes chromatin binding of RARαa and the RA targets Hoxb1b, Meis2b and Sox3, which cooperate in central nervous system development. Finally, we show that RA induces a rewiring of chromatin architecture, with alterations in chromatin 3D interactions that are consistent with target gene expression. This is illustrated by the specific induction of anterior HoxB genes by RARs, among other examples. Conclusions Altogether, our findings identify genome-wide targets of RA signaling during embryonic development and provide a molecular mechanism by which developmental signaling pathways regulate the expression of target genes by altering chromatin topology.