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.

Abstract Taste is a vital chemical sense for feeding behavior. In mammals, the umami and sweet taste receptors are composed of three members of the taste receptor type 1 (T1R/TAS1R) family: T1R1, T1R2, and T1R3. Because their functional homologs exist in teleosts, only three TAS1R genes generated by gene duplication are believed to have been inherited from the common ancestor of bony vertebrates. Here, we report five previously uncharacterized TAS1R members in vertebrates, named TAS1R4 , 5 , 6 , 7 , and TAS1Rcf , through a genome-wide survey of diverse taxa. For TAS1R2 and TAS1R3 , mammalian and teleost fish genes were found to be paralogous. Phylogenetic analysis suggests that the bony vertebrate ancestor had nine TAS1Rs due to multiple gene duplications, and some TAS1R s were lost independently in each lineage; ultimately, mammals and teleosts have retained only three TAS1R s, whereas other lineages have retained more TAS1Rs . Functional assays and expression analysis in non-teleost fishes suggest that the novel T1Rs form heterodimers in taste receptor cells and contribute to the recognition of a broad range of ligands such as essential amino acids, including branched-chain amino acids, which were not previously considered as T1R ligands. These results highlight an unexpected diversity of taste sensations in both modern and the ancestors of vertebrates. The complex evolution of the taste receptor family might have enabled vertebrates to adapt to diverse habitats on Earth.

Abstract In animal gonads, transposable elements (TEs) are actively repressed to preserve genome integrity through the Piwi-interacting RNA (piRNA) pathway. In mice, piRNAs are most abundantly expressed in male germ cells, and form effector complexes with three distinct PIWI proteins. The depletion of individual Piwi genes causes male-specific sterility owing to severe defects in spermatogenesis with no discernible phenotype in female mice. Unlike mice, most other mammals have four PIWI genes, some of which are expressed in the ovary. Here, purification of PIWI complexes from oocytes of the golden hamster revealed that the size of the piRNAs loaded onto PIWIL1 changed during oocyte maturation. In contrast, PIWIL3, an ovary-specific PIWI in most mammals, associates with short piRNAs only in metaphase II oocytes, which coincides with intense phosphorylation of the protein. An improved high-quality genome assembly and annotation revealed that PIWIL1- and PIWIL3-associated piRNAs appear to share the 5′- ends of common piRNA precursors and are mostly derived from unannotated sequences with a diminished contribution from TE-derived sequences, most of which correspond to endogenous retroviruses (ERVs). Although binding sites for the transcription factor A-Myb are identified in the transcription start site regions of the testis piRNA clusters, the piRNA clusters in the ovary show no well-defined binding motifs in their upstream regions. These results show that hamster piRNA clusters are transcribed by different transcriptional factors in the ovary and testis, resulting in the generation of sex-specific piRNAs. Our findings show the complex and dynamic nature of biogenesis of piRNAs in hamster oocytes, and together with the new genome sequence generated, serve as the foundation for developing useful models to study the piRNA pathway in mammalian oocytes. Highlights - The size of PIWIL1-associated piRNAs changes during oocyte maturation - Phosphorylation of PIWIL3 in MII oocytes coincides with its association with small 19-nt piRNAs - Improved high-quality genome assembly and annotation identifies young endogenous retroviruses as major targets of piRNAs in hamster oocytes - PIWIL1- and PIWIL3-associated piRNAs share the 5′-ends of the common piRNA precursors in oocytes

Summary Following reprogramming of DNA methylation, numerous transposable elements (TEs) are transiently activated in male prenatal gonocytes. Persistent expression of such TEs to adulthood leads to arrest of germ cell development. However, how these TEs are re-silenced has been unexplored. Here, we found that DNA-binding protein Morc1 re-established H3K9me3-marked heterochromatin on activated TEs, which involved methyltransferase SetDB1. Although Morc1 also triggered DNA methylation, the types of Morc1-targeted TEs for each epigenetic modification were different, suggesting that these two mechanisms were largely independent of each other. Significant overlap between TEs targeted by Morc1 and those by Miwi2, a nuclear PIWI protein, indicated that piRNA-loaded Miwi2 conferred target specificity to Morc1. Activated TEs drove transcription of adjacent genes by acting as ectopic cis -regulatory elements. Such a disrupting effect of TEs on the transcriptome was compensated by Morc1. Thus, Morc1 ensures proper interactions of TEs with host genes through re-establishment of heterochromatin in gonocytes.

Abstract Aqp10 is an aquaglyceroporin that transports not only water but also uncharged low-molecular-weight compounds. We previously demonstrated the evolution of solute permeability in Aqp10 paralogs and showed that the urea and boric acid permeabilities of Aqp10.2 were much weaker than those of Aqp10.1 and plesiomorphic Aqp10s. However, the molecular mechanism responsible for the weak permeability of Aqp10.2 to urea and boric acid remains unclear. Herein, we present a novel hypothesis that explains the solute selectivity of Aqp10. We deduced the ancestral sequences of Aqp10.1 and Aqp10.2 paralogs via molecular phylogenetic analysis. Constructed structural models of these sequences revealed that both the well known amino acid site at position 3 and the sum of molecular weights of the four amino acid sites in the ar/R region were important for the formation of the Aqp10 selectivity filter. Site-directed mutagenesis revealed that a decrease in the sum of the molecular weights of the four amino acid sites enhanced the Aqp10 permeability to urea and boric acid. Based on this, we proposed a model in which the presence of two or more bulky amino acids in the ar/R region, which increases the sum of the molecular weights of amino acids in the ar/R region, was essential for the formation of a filter that limited urea and boric acid transport. Our results outline the molecular mechanism by which Aqp10.2 acquired a selectivity filter during evolution and provide structural insights into the narrowly tuned filter responsible for the solute selectivity of aquaglyceroporins. Significance Statement In aquaglyceroporins, particularly Aqp10s, the urea and boric acid permeabilities of Aqp10.2 paralogs are much weaker than those of plesiomorphic Aqp10s. Here, we deduced the ancestral sequences of Aqp10.1 and Aqp10.2 via molecular phylogenetic analysis. Structural models of these sequences revealed that the sum of the four amino acid site molecular weights in the ar/R region, if more than one is bulky, contributed to the selectivity filter formation in the pore region. Using site-directed mutagenesis, reduction in the molecular weight of one bulky amino acid residue in the ar/R region restricted urea and boric acid permeability. Therefore, Aqp10.2 acquired a selectivity filter during evolution, and structural differences in this selectivity filter are responsible for the variable solute permeability of aquaglyceroporins.

Histone H3 lysine36 dimethylation (H3K36me2) is generally distributed in the gene body and euchromatic intergenic regions. However, we found that H3K36me2 is enriched in pericentromeric heterochromatin in some mouse cell lines. We here revealed the mechanism of heterochromatin targeting of H3K36me2. Among several H3K36 methyltransferases, NSD2 was responsible for inducing heterochromatic H3K36me2. Depletion and overexpression analyses of NSD2-associating proteins revealed that NSD2 recruitment to heterochromatin was mediated through the imitation switch (ISWI) chromatin remodeling complexes, such as BAZ1B-SMARCA5 (WICH), which directly binds to AT-rich DNA via a BAZ1B domain containing AT-hook-like motifs. The abundance and stoichiometry of NSD2, SMARCA5, and BAZ1B or BAZ1A could determine the localization of H3K36me2 in different cell types. To explore the physiological role of heterochromatic H3K36me2, we analyzed mouse tissues and embryos. As a result, H3K36me2 was found in heterochromatin at the 2- to 4-cell stages of mouse preimplantation embryos, suggesting its involvement in developmental regulation.

Abstract The molecular evolution processes underlying the acquisition of the placenta in eutherian ancestors are not fully understood. Mouse NCK-interacting kinase (NIK)-related kinase (NRK) is expressed highly in the placenta and plays a role in preventing placental hyperplasia. Here, we show the molecular evolution of NRK, which confers its function for inhibiting placental cell proliferation. Comparative genome analysis identified NRK orthologues across vertebrates, which share the kinase and citron homology (CNH) domains. Evolutionary analysis revealed that NRK underwent extensive amino acid substitutions in the ancestor of placental mammals and has been since conserved. Biochemical analysis of mouse NRK revealed that the CNH domain binds to phospholipids, and a region in NRK binds to and inhibits casein kinase-2 (CK2), which we named the CK2-inhibitory region (CIR). Cell culture experiments suggest the following: (1) mouse NRK is localised at the plasma membrane via the CNH domain, where the CIR inhibits CK2. (2) This mitigates CK2-dependent phosphorylation and inhibition of PTEN, and (3) leads to the inhibition of AKT signalling and cell proliferation. Nrk deficiency increased phosphorylation levels of PTEN and AKT in mouse placenta, supporting our hypothesis. Unlike mouse NRK, chicken NRK did not bind to phospholipids and CK2, decrease phosphorylation of AKT, or inhibit cell proliferation. Both the CNH domain and CIR have evolved under purifying selection in placental mammals. Taken together, our study suggests that placental mammals acquired the phospholipid-binding CNH domain and CIR in NRK for regulating the CK2-PTEN-AKT pathway and placental cell proliferation.