A high-quality sequence assembly of the zebrafish genome reveals the largest gene set of any vertebrate and provides information on key genomic features, and comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human protein-coding genes have at least one clear zebrafish orthologue. The genome of the zebrafish — a key model organism for the study of development and human disease — has now been sequenced and published as a well-annotated reference genome. Zebrafish turns out to have the largest gene set of any vertebrate so far sequenced, and few pseudogenes. Importantly for disease studies, comparison between human and zebrafish sequences reveals that 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. A second paper reports on an ongoing effort to identify and phenotype disruptive mutations in every zebrafish protein-coding gene. Using the reference genome sequence along with high-throughput sequencing and efficient chemical mutagenesis, the project's initial results — covering 38% of all known protein-coding genes — they describe phenotypic consequences of more than 1,000 alleles. The long-term goal is the creation of a knockout allele in every protein-coding gene in the zebrafish genome. All mutant alleles and data are freely available at go.nature.com/en6mos . Zebrafish have become a popular organism for the study of vertebrate gene function1,2. The virtually transparent embryos of this species, and the ability to accelerate genetic studies by gene knockdown or overexpression, have led to the widespread use of zebrafish in the detailed investigation of vertebrate gene function and increasingly, the study of human genetic disease3,4,5. However, for effective modelling of human genetic disease it is important to understand the extent to which zebrafish genes and gene structures are related to orthologous human genes. To examine this, we generated a high-quality sequence assembly of the zebrafish genome, made up of an overlapping set of completely sequenced large-insert clones that were ordered and oriented using a high-resolution high-density meiotic map. Detailed automatic and manual annotation provides evidence of more than 26,000 protein-coding genes6, the largest gene set of any vertebrate so far sequenced. Comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. In addition, the high quality of this genome assembly provides a clearer understanding of key genomic features such as a unique repeat content, a scarcity of pseudogenes, an enrichment of zebrafish-specific genes on chromosome 4 and chromosomal regions that influence sex determination.

The human X chromosome has a unique biology that was shaped by its evolution as the sex chromosome shared by males and females. We have determined 99.3% of the euchromatic sequence of the X chromosome. Our analysis illustrates the autosomal origin of the mammalian sex chromosomes, the stepwise process that led to the progressive loss of recombination between X and Y, and the extent of subsequent degradation of the Y chromosome. LINE1 repeat elements cover one-third of the X chromosome, with a distribution that is consistent with their proposed role as way stations in the process of X-chromosome inactivation. We found 1,098 genes in the sequence, of which 99 encode proteins expressed in testis and in various tumour types. A disproportionately high number of mendelian diseases are documented for the X chromosome. Of this number, 168 have been explained by mutations in 113 X-linked genes, which in many cases were characterized with the aid of the DNA sequence. The detailed sequence of the human X chromosome is published this week, together with a survey of inactivated X genes in females. Females have two Xs and males have one X and a Y; to make the gene dosage equivalent, females inactivate almost an entire chromosome. The X inactivation profile has important clinical implications, as the unique nature of sex chromosomes means that it contains a disproportionate number of disease-causing genes. With both the X and Y chromosomes sequenced, their evolution from a pair of ‘normal’ chromosomes can be studied in detail. The cover, by Alfred Pasieka (Science Photo Library), depicts the inactivation signal starting at the middle of the chromosome (where it is reddest) and moving out through the arms.

Tapeworms (Cestoda) cause neglected diseases that can be fatal and are difficult to treat, owing to inefficient drugs. Here we present an analysis of tapeworm genome sequences using the human-infective species Echinococcus multilocularis, E. granulosus, Taenia solium and the laboratory model Hymenolepis microstoma as examples. The 115- to 141-megabase genomes offer insights into the evolution of parasitism. Synteny is maintained with distantly related blood flukes but we find extreme losses of genes and pathways that are ubiquitous in other animals, including 34 homeobox families and several determinants of stem cell fate. Tapeworms have specialized detoxification pathways, metabolism that is finely tuned to rely on nutrients scavenged from their hosts, and species-specific expansions of non-canonical heat shock proteins and families of known antigens. We identify new potential drug targets, including some on which existing pharmaceuticals may act. The genomes provide a rich resource to underpin the development of urgently needed treatments and control. Genome sequences of human-infective tapeworm species reveal extreme losses of genes and pathways that are ubiquitous in other animals, species-specific expansions of non-canonical heat shock proteins and families of known antigens, specialized detoxification pathways, and metabolism that relies on host nutrients; this information is used to identify new potential drug targets. Tapeworms cause echinococcosis and cysticercosis, two of the most severe parasitic diseases found in humans, and both on the World Health Organization's list of neglected tropical diseases. The publication of four tapeworm genome sequences — human-infective tapeworm species Echinococcus multilocularis, E. granulosus, Taenia solium and the laboratory model Hymenolepis microstoma — and identification of potential new drug targets for treating tapeworm infections is therefore a welcome development. Analysis of the sequences provides insights into the evolution of parasitism and reveals extreme losses of genes and pathways ubiquitous in other animals on one hand and species-specific expansions of genes on the other. More than a thousand E. multilocularis proteins emerge as potential targets, and of these, close to 200 with the highest scores may be targeted with existing pharmaceuticals.

The International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) recently completed a sequence of the human genome. As part of this project, we have focused on chromosome 8. Although some chromosomes exhibit extreme characteristics in terms of length, gene content, repeat content and fraction segmentally duplicated, chromosome 8 is distinctly typical in character, being very close to the genome median in each of these aspects. This work describes a finished sequence and gene catalogue for the chromosome, which represents just over 5% of the euchromatic human genome. A unique feature of the chromosome is a vast region of approximately 15 megabases on distal 8p that appears to have a strikingly high mutation rate, which has accelerated in the hominids relative to other sequenced mammals. This fast-evolving region contains a number of genes related to innate immunity and the nervous system, including loci that appear to be under positive selection--these include the major defensin (DEF) gene cluster and MCPH1, a gene that may have contributed to the evolution of expanded brain size in the great apes. The data from chromosome 8 should allow a better understanding of both normal and disease biology and genome evolution.

The toxic butterfly Heliconius numata, found in forests across South America, mimics the wing patterns of several species of another family of toxic butterflies, Melinaea sp., in order to deter predators more effectively. This example of Müllerian mimicry is under the control of a classic 'supergene', a tight gene cluster usually inherited as a single unit. H. numata is particularly adept at mimicry, able to copy as many as seven different wing patterns. A study of the individual wing-pattern morphs in H. numata shows that different genomic rearrangements at the single supergene P locus tighten the genetic linkage between loci that are otherwise free to recombine in other closely related species. The resulting supergene acts as a simple switch that once thrown, selects which one of a range of complex adaptive phenotypes the butterfly displays. Supergenes are tight clusters of loci that facilitate the co-segregation of adaptive variation, providing integrated control of complex adaptive phenotypes1. Polymorphic supergenes, in which specific combinations of traits are maintained within a single population, were first described for ‘pin’ and ‘thrum’ floral types in Primula1 and Fagopyrum2, but classic examples are also found in insect mimicry3,4,5 and snail morphology6. Understanding the evolutionary mechanisms that generate these co-adapted gene sets, as well as the mode of limiting the production of unfit recombinant forms, remains a substantial challenge7,8,9,10. Here we show that individual wing-pattern morphs in the polymorphic mimetic butterfly Heliconius numata are associated with different genomic rearrangements at the supergene locus P. These rearrangements tighten the genetic linkage between at least two colour-pattern loci that are known to recombine in closely related species9,10,11, with complete suppression of recombination being observed in experimental crosses across a 400-kilobase interval containing at least 18 genes. In natural populations, notable patterns of linkage disequilibrium (LD) are observed across the entire P region. The resulting divergent haplotype clades and inversion breakpoints are found in complete association with wing-pattern morphs. Our results indicate that allelic combinations at known wing-patterning loci have become locked together in a polymorphic rearrangement at the P locus, forming a supergene that acts as a simple switch between complex adaptive phenotypes found in sympatry. These findings highlight how genomic rearrangements can have a central role in the coexistence of adaptive phenotypes involving several genes acting in concert, by locally limiting recombination and gene flow.

Parasitic nematodes (roundworms) and platyhelminths (flatworms) cause debilitating chronic infections of humans and animals, decimate crop production and are a major impediment to socioeconomic development. Here we report a broad comparative study of 81 genomes of parasitic and non-parasitic worms. We have identified gene family births and hundreds of expanded gene families at key nodes in the phylogeny that are relevant to parasitism. Examples include gene families that modulate host immune responses, enable parasite migration though host tissues or allow the parasite to feed. We reveal extensive lineage-specific differences in core metabolism and protein families historically targeted for drug development. From an in silico screen, we have identified and prioritized new potential drug targets and compounds for testing. This comparative genomics resource provides a much-needed boost for the research community to understand and combat parasitic worms. Comparative study of 81 genomes of parasitic and non-parasitic worms identifies gene family births and expanded gene families at key nodes in the phylogeny that are relevant to parasitism and proteins historically targeted for drug development.

Abstract Plant-parasitic nematodes are a major, and in some cases a dominant, threat to crop production in all agricultural systems. The relative scarcity of classical resistance genes highlights a pressing need to identify new ways to develop nematode-resistant germplasm. Here, we sequence and assemble a high-quality genome of the model cyst nematode Heterodera schachtii to provide a platform for the first system-wide dual analysis of host and parasite gene expression over time, covering all major stages of the interaction. This novel approach enabled the analysis of the hologenome of the infection site, to identify metabolic pathways that were incomplete in the parasite but complemented by the host. Using a combination of bioinformatic, genetic, and biochemical approaches, we show that the highly atypical completion of vitamin B5 biosynthesis by the parasitic animal, putatively enabled by a horizontal gene transfer from a bacterium, is critically important for parasitism. Knockout of either the plant-encoded or the now nematode-encoded steps in the pathway blocks parasitism. Our experiments establish a reference for cyst nematodes, use this platform to further our fundamental understanding of the evolution of plant-parasitism by nematodes, and show that understanding congruent differential expression of metabolic pathways represents a new way to find nematode susceptibility genes, and thereby, targets for future genome editing-mediated generation of nematode-resistant crops.

Abstract Plant-parasitic nematodes are a continuing threat to food security, causing an estimated 100 billion USD in crop losses each year. The most problematic are the obligate sedentary endoparasites (primarily root knot nematodes and cyst nematodes). Progress in understanding their biology is held back by a lack of tools for functional genetics: forward genetics is largely restricted to studies of natural variation in populations, and reverse genetics is entirely reliant on RNA interference. There is an expectation that the development of functional genetic tools would accelerate the progress of research on plant-parasitic nematodes, and hence the development of novel control solutions. Here, we develop some of the foundational biology required to deliver a functional genetic tool kit in plant-parasitic nematodes. We characterise the gonads of male Heterodera schachtii and Meloidogyne hapla in the context of spermatogenesis. We test and optimise various methods for the delivery, expression, and/or detection of exogenous nucleic acids in plant-parasitic nematodes. We demonstrate that delivery of macromolecules to cyst and root knot nematode male germlines is difficult, but possible. Similarly, we demonstrate the delivery of oligonucleotides to root knot nematode gametes. Finally, we develop a transient expression system in plant-parasitic nematodes by demonstrating the delivery and expression of exogenous mRNA encoding various reporter genes throughout the body of H. schachtii juveniles using lipofectamine-based transfection. We anticipate these developments to be independently useful, will expedite the development of genetic modification tools for plant-parasitic nematodes, and ultimately catalyze research on a group of nematodes that threaten global food security.

Pathogens are engaged in a fierce evolutionary arms race with their host. The genes at the forefront of the engagement between kingdoms are often part of diverse and highly mutable gene families. Even in this context, we discovered unprecedented variation in the hyper-variable (HYP) effectors of plant-parasitic nematodes. HYP effectors are single-gene loci that potentially harbor thousands of alleles. Alleles vary in the organization, as well as the number, of motifs within a central hyper-variable domain (HVD). We dramatically expand the HYP repertoire of two plant-parasitic nematodes and define distinct species-specific "rules" underlying the apparently flawless genetic rearrangements. Finally, by analyzing the HYPs in 68 individual nematodes, we unexpectedly found that despite the huge number of alleles, most individuals are germline homozygous. These data support a mechanism of programmed genetic variation, termed HVD editing, where alterations are locus specific, strictly governed by rules, and theoretically produce thousands of variants without errors.

Background Haemonchus contortus is a globally distributed and economically important gastrointestinal pathogen of small ruminants, and has become the key nematode model for studying anthelmintic resistance and other parasite-specific traits among a wider group of parasites including major human pathogens. Two draft genome assemblies for H. contortus were reported in 2013, however, both were highly fragmented, incomplete, and differed from one another in important respects. While the introduction of long-read sequencing has significantly increased the rate of production and contiguity of de novo genome assemblies broadly, achieving high quality genome assemblies for small, genetically diverse, outcrossing eukaryotic organisms such as H. contortus remains a significant challenge.Results Here, we report using PacBio long read and OpGen and 10X Genomics long-molecule methods to generate a highly contiguous 283.4 Mbp chromosome-scale genome assembly including a resolved sex chromosome. We show a remarkable pattern of almost complete conservation of chromosome content (synteny) with Caenorhabditis elegans , but almost no conservation of gene order. Long-read transcriptome sequence data has allowed us to define coordinated transcriptional regulation throughout the life cycle of the parasite, and refine our understanding of cis - and trans -splicing relative to that observed in C. elegans . Finally, we use this assembly to give a comprehensive picture of chromosome-wide genetic diversity both within a single isolate and globally.Conclusions The H. contortus MHco3(ISE).N1 genome assembly presented here represents the most contiguous and resolved nematode assembly outside of the Caenorhabditis genus to date, together with one of the highest-quality set of predicted gene features. These data provide a high-quality comparison for understanding the evolution and genomics of Caenorhabditis and other nematodes, and extends the experimental tractability of this model parasitic nematode in understanding pathogen biology, drug discovery and vaccine development, and important adaptive traits such as drug resistance.* BUSCO : Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs CCS : circular consensus sequencing CEGMA : Core Eukaryotic Genes Mapping Approach DCC : dosage compensation complex McMaster : draft genome assembly of the H. contortus Australian isolate McMaster, published in Schwarz et al. 2013 DSN : duplex-specific nuclease PCA : Principal component analysis SL : spliced leader V1 : version 1 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, published in Laing et al. 2013 V3 : version 3 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, unpublished V4 : version 4 of the H. contortus MHco3(ISE).N1 genome, presented here for the first time