Marine stickleback fish have colonized and adapted to thousands of streams and lakes formed since the last ice age, providing an exceptional opportunity to characterize genomic mechanisms underlying repeated ecological adaptation in nature. Here we develop a high-quality reference genome assembly for threespine sticklebacks. By sequencing the genomes of twenty additional individuals from a global set of marine and freshwater populations, we identify a genome-wide set of loci that are consistently associated with marine–freshwater divergence. Our results indicate that reuse of globally shared standing genetic variation, including chromosomal inversions, has an important role in repeated evolution of distinct marine and freshwater sticklebacks, and in the maintenance of divergent ecotypes during early stages of reproductive isolation. Both coding and regulatory changes occur in the set of loci underlying marine–freshwater evolution, but regulatory changes appear to predominate in this well known example of repeated adaptive evolution in nature. A reference genome sequence for threespine sticklebacks, and re-sequencing of 20 additional world-wide populations, reveals loci used repeatedly during vertebrate evolution; multiple chromosome inversions contribute to marine-freshwater divergence, and regulatory variants predominate over coding variants in this classic example of adaptive evolution in natural environments. Threespine sticklebacks have become a powerful model for studying the molecular basis of adaptive evolution. This paper presents a high-quality reference genome sequence, along with genomes of 20 further individuals from a global set of marine and freshwater populations. Genomic analysis reveals that reuse of globally shared standing genetic variation plays an important part in repeated evolution of distinct stickleback populations, and in the maintenance of divergent ecotypes during early stages of reproductive isolation. The data are consistent with an important role for regulatory changes during parallel evolution of marine and freshwater sticklebacks.

HOX genes specify cell fate in the anterior-posterior axis of animal embryos. Invertebrate chordates have one HOX cluster, but mammals have four, suggesting that cluster duplication facilitated the evolution of vertebrate body plans. This report shows that zebrafish have seven hox clusters. Phylogenetic analysis and genetic mapping suggest a chromosome doubling event, probably by whole genome duplication, after the divergence of ray-finned and lobe-finned fishes but before the teleost radiation. Thus, teleosts, the most species-rich group of vertebrates, appear to have more copies of these developmental regulatory genes than do mammals, despite less complexity in the anterior-posterior axis.

Myotonic dystrophy (DM) is the most common inherited neuromuscular disease in adults, with a global incidence of 1 in 8000 individuals. DM is an autosomal dominant, multisystemic disorder characterized primarily by myotonia and progressive muscle weakness. Genomic and complementary DNA probes that map to a 10-kilobase Eco RI genomic fragment from human chromosome 19q13.3 have been used to detect a variable length polymorphism in individuals with DM. Increases in the size of the allele in patients with DM are now shown to be due to an increased number of trinucleotide CTG repeats in the 3′ untranslated region of a DM candidate gene. An increase in the severity of the disease in successive generations (genetic anticipation) is accompanied by an increase in the number of trinucleotide repeats. Nearly all cases of DM (98 percent or 253 of 258 individuals) displayed expansion of the CTG repeat region. These results suggest that DM is primarily caused by mutations that generate an amplification of a specific CTG repeat.

Cichlid fishes are famous for large, diverse and replicated adaptive radiations in the Great Lakes of East Africa. To understand the molecular mechanisms underlying cichlid phenotypic diversity, we sequenced the genomes and transcriptomes of five lineages of African cichlids: the Nile tilapia (Oreochromis niloticus), an ancestral lineage with low diversity; and four members of the East African lineage: Neolamprologus brichardi/pulcher (older radiation, Lake Tanganyika), Metriaclima zebra (recent radiation, Lake Malawi), Pundamilia nyererei (very recent radiation, Lake Victoria), and Astatotilapia burtoni (riverine species around Lake Tanganyika). We found an excess of gene duplications in the East African lineage compared to tilapia and other teleosts, an abundance of non-coding element divergence, accelerated coding sequence evolution, expression divergence associated with transposable element insertions, and regulation by novel microRNAs. In addition, we analysed sequence data from sixty individuals representing six closely related species from Lake Victoria, and show genome-wide diversifying selection on coding and regulatory variants, some of which were recruited from ancient polymorphisms. We conclude that a number of molecular mechanisms shaped East African cichlid genomes, and that amassing of standing variation during periods of relaxed purifying selection may have been important in facilitating subsequent evolutionary diversification. Genomes and transcriptomes of five distinct lineages of African cichlids, a textbook example of adaptive radiation, have been sequenced and analysed to reveal that many types of molecular changes contributed to rapid evolution, and that standing variation accumulated during periods of relaxed selection may have primed subsequent diversification. The 2,000 or so species of cichlid fish, to be found in the lakes and rivers of Africa's Rift Valley, provide the classic example of adaptive radiations. This large-scale international collaboration has sequenced and analysed the genomes and transcriptomes of five distinct lineages of African cichlids. The data reveal an excess of gene duplications in comparison to other fish species. There is an abundance of non-coding element divergence; accelerated coding sequence evolution; expression divergence associated with transposable element insertions in orthologous gene pairs; and regulation by novel miRNAs. Sequencing data from sixty individuals from six closely related Lake Victoria species point to rapid cichlid speciation associated with genome-wide diversifying selection on coding and regulatory variants, and imply that ancient periods of relaxed purifying selection enabled the accumulation of standing variation, which may have been important in facilitating diversification.

We report a high-quality draft of the genome sequence of the grey, short-tailed opossum (Monodelphis domestica). As the first metatherian ('marsupial') species to be sequenced, the opossum provides a unique perspective on the organization and evolution of mammalian genomes. Distinctive features of the opossum chromosomes provide support for recent theories about genome evolution and function, including a strong influence of biased gene conversion on nucleotide sequence composition, and a relationship between chromosomal characteristics and X chromosome inactivation. Comparison of opossum and eutherian genomes also reveals a sharp difference in evolutionary innovation between protein-coding and non-coding functional elements. True innovation in protein-coding genes seems to be relatively rare, with lineage-specific differences being largely due to diversification and rapid turnover in gene families involved in environmental interactions. In contrast, about 20% of eutherian conserved non-coding elements (CNEs) are recent inventions that postdate the divergence of Eutheria and Metatheria. A substantial proportion of these eutherian-specific CNEs arose from sequence inserted by transposable elements, pointing to transposons as a major creative force in the evolution of mammalian gene regulation.

The discovery of a living coelacanth specimen in 1938 was remarkable, as this lineage of lobe-finned fish was thought to have become extinct 70 million years ago. The modern coelacanth looks remarkably similar to many of its ancient relatives, and its evolutionary proximity to our own fish ancestors provides a glimpse of the fish that first walked on land. Here we report the genome sequence of the African coelacanth, Latimeria chalumnae. Through a phylogenomic analysis, we conclude that the lungfish, and not the coelacanth, is the closest living relative of tetrapods. Coelacanth protein-coding genes are significantly more slowly evolving than those of tetrapods, unlike other genomic features. Analyses of changes in genes and regulatory elements during the vertebrate adaptation to land highlight genes involved in immunity, nitrogen excretion and the development of fins, tail, ear, eye, brain and olfaction. Functional assays of enhancers involved in the fin-to-limb transition and in the emergence of extra-embryonic tissues show the importance of the coelacanth genome as a blueprint for understanding tetrapod evolution.

Although jawless vertebrates are apparently capable of adaptive immune responses, they have not been found to possess the recombinatorial antigen receptors shared by all jawed vertebrates. Our search for the phylogenetic roots of adaptive immunity in the lamprey has instead identified a new type of variable lymphocyte receptors (VLRs) composed of highly diverse leucine-rich repeats (LRR) sandwiched between amino- and carboxy-terminal LRRs. An invariant stalk region tethers the VLRs to the cell surface by means of a glycosyl-phosphatidyl-inositol anchor. To generate rearranged VLR genes of the diversity necessary for an anticipatory immune system, the single lamprey VLR locus contains a large bank of diverse LRR cassettes, available for insertion into an incomplete germline VLR gene. Individual lymphocytes express a uniquely rearranged VLR gene in monoallelic fashion. Different evolutionary strategies were thus used to generate highly diverse lymphocyte receptors through rearrangement of LRR modules in agnathans (jawless fish) and of immunoglobulin gene segments in gnathostomes (jawed vertebrates).

Jeramiah Smith, Weiming Li and colleagues report the whole-genome sequence of the sea lamprey, Petromyzon marinus, representing a vertebrate lineage diverged from humans ~500 million years ago. Their analyses define key evolutionary events in vertebrate lineages and provide evidence for two whole-genome duplication events occurring before the divergence of the ancestral lamprey and jawed vertebrate (gnathostome) lineages. Lampreys are representatives of an ancient vertebrate lineage that diverged from our own ∼500 million years ago. By virtue of this deeply shared ancestry, the sea lamprey (P. marinus) genome is uniquely poised to provide insight into the ancestry of vertebrate genomes and the underlying principles of vertebrate biology. Here, we present the first lamprey whole-genome sequence and assembly. We note challenges faced owing to its high content of repetitive elements and GC bases, as well as the absence of broad-scale sequence information from closely related species. Analyses of the assembly indicate that two whole-genome duplications likely occurred before the divergence of ancestral lamprey and gnathostome lineages. Moreover, the results help define key evolutionary events within vertebrate lineages, including the origin of myelin-associated proteins and the development of appendages. The lamprey genome provides an important resource for reconstructing vertebrate origins and the evolutionary events that have shaped the genomes of extant organisms.

Ingo Braasch, John Postlethwait and colleagues report the genome of the spotted gar (Lepisosteus oculatus), whose lineage diverged from teleosts before genome duplication. Their data provide insights into the evolution of genes involved in immunity, mineralization and development and facilitate the comparison of cis-regulatory elements between teleosts and humans. To connect human biology to fish biomedical models, we sequenced the genome of spotted gar (Lepisosteus oculatus), whose lineage diverged from teleosts before teleost genome duplication (TGD). The slowly evolving gar genome has conserved in content and size many entire chromosomes from bony vertebrate ancestors. Gar bridges teleosts to tetrapods by illuminating the evolution of immunity, mineralization and development (mediated, for example, by Hox, ParaHox and microRNA genes). Numerous conserved noncoding elements (CNEs; often cis regulatory) undetectable in direct human-teleost comparisons become apparent using gar: functional studies uncovered conserved roles for such cryptic CNEs, facilitating annotation of sequences identified in human genome-wide association studies. Transcriptomic analyses showed that the sums of expression domains and expression levels for duplicated teleost genes often approximate the patterns and levels of expression for gar genes, consistent with subfunctionalization. The gar genome provides a resource for understanding evolution after genome duplication, the origin of vertebrate genomes and the function of human regulatory sequences.