The testis is a key male reproductive organ that produces gametes through the process of spermatogenesis. Testis morphologies and spermatogenesis evolve rapidly in mammals, presumably due to the evolutionary pressure on males to be reproductively successful 1,2 . The rapid evolution of the testis was shown to be reflected at the molecular level based on bulk-tissue work 3-8 , but the molecular evolution of individual spermatogenic cell types across mammalian lineages remains largely uncharacterized. Here we report evolutionary analyses of single-nucleus transcriptome data for testes from eleven species that cover the three major mammalian lineages (eutherians, marsupials, egg-laying monotremes) and birds (the evolutionary outgroup), and include seven key primates. Our analyses reveal that the rapid evolution of the testis is driven by accelerated fixation rates of gene expression changes, amino acid altering substitutions, and newly emerged genes in late spermatogenic stages – likely facilitated by reduced pleiotropic constraints, haploid selection, and a transcriptionally permissive chromatin environment. We identify temporal expression changes of individual genes across species, which may have contributed to the emergence of species-specific phenotypes, but also conserved expression programs underlying ancestral spermatogenic processes. Sex chromosome analyses show that genes predominantly expressed in spermatogonia (i.e., germ cells fueling spermatogenesis) and Sertoli cells (i.e., somatic supporting cells) independently accumulated on X chromosomes across mammals during evolution, presumably due to male-beneficial selective forces. Further work uncovered that the process of meiotic sex chromosome inactivation (MSCI) also occurs in monotremes and hence is common to the different mammalian sex chromosome systems, contrary to previous inferences 9 . Thus, the general mechanism of meiotic silencing of unsynapsed chromatin (MSUC), which underlies MSCI, represents an ancestral mammalian feature. Together, our study illuminates the cellular and molecular evolution of mammalian spermatogenesis and associated selective forces, and provides a resource for investigating the biology of the testis across mammals.

Abstract Klinefelter syndrome (47,XXY) causes infertility with a testicular histology comprising two types of Sertoli cell-only tubules, representing mature and immature-like Sertoli cells, and occasionally focal spermatogenesis. Here, we show that the immature-like Sertoli cells highly expressed XIST and had two X-chromosomes, while the mature Sertoli cells lacked XIST expression and had only one X-chromosome. Sertoli cells supporting focal spermatogenesis also lacked XIST expression and the additional X-chromosome, while the spermatogonia expressed XIST despite having only one X-chromosome. XIST was expressed in Sertoli cells until puberty, where a gradual loss was observed. Our results suggest that a micro-mosaic loss of the additional X-chromosome is needed for Sertoli cells to mature and to allow focal spermatogenesis.

Abstract Klinefelter syndrome (47,XXY) causes infertility with a testicular histology comprising two types of Sertoli cell-only tubules, representing mature and immature-like Sertoli cells, and occasionally focal spermatogenesis. Here, we show that the immature Sertoli cells highly expressed XIST and have two X-chromosomes, while the mature Sertoli cells lack XIST expression and have only one X-chromosome. Sertoli cells supporting focal spermatogenesis also lack XIST expression and the additional X-chromosome, while the spermatogonia expressed XIST despite having only one X-chromosome. XIST was expressed in Sertoli cells until puberty, where a gradual loss was observed. Our results suggest that a micro-mosaic loss of the additional X-chromosome is needed for Sertoli cells to mature and to allow focal spermatogenesis.

Gene conversions are broadly defined as the transfer of genetic material from a 'donor' to an 'acceptor' sequence and can happen both in meiosis and mitosis. They are a subset of non-crossover events and like crossover events, gene conversion can generate new combinations of alleles, erode linkage disequilibrium, and even counteract the mutation load by reverting germline mutations through GC-biased gene conversion. Estimating the rate of gene conversion and the distribution of gene conversion tract lengths remains challenging. Here, we present a new method for estimating tract length, rate and detection probability of non-crossover events directly in HiFi PacBio long read data. The method can be applied with data from a single individual, is unbiased even under low single nucleotide variant densities and does not necessitate any demographic or evolutionary assumptions. We apply the method to gene conversion events observed directly in Pacbio HiFI read data from a human sperm sample and find that human gene conversion tracts are shorter (mean of 50 base pairs) than estimates from yeast or Drosophila. We also estimate that typical human male gametes undergo on average 280 non-crossover events where approximately 7 are expected to become visible as gene conversions moving variants from one donor haplotype to an acceptor haplotype.

Homologous recombination rearranges genetic information during meiosis to generate new combinations of variants. Recombination also causes new mutations, affects the GC content of the genome and reduces selective interference. Here, we use HiFi long-read sequencing to directly detect crossover and gene conversion events from switches between the two haplotypes along single HiFi-reads from testis tissue of humans, chimpanzees and gorillas as well as human sperm samples. Furthermore, based on DNA methylation calls, we classify the cellular origin of reads to either somatic or germline cells in the testis tissue. We identify 1692 crossovers and 1032 gene conversions in nine samples and investigate their chromosomal distribution. Crossovers are more telomeric and correlate better with recombination maps than gene conversions. We show a strong concordance between a human double-strand break map and the human samples, but not for the other species, supporting different PRDM9-programmed double-strand break loci. We estimate the average gene conversion tract lengths to be similar and very short in all three species (means 40-100 bp, fitted well by a geometric distribution) and that 95-98% of non-crossover events do not involve tracts intersecting with polymorphism and are therefore not detectable. Finally, we detect a GC bias in the gene conversion of both single and multiple SNVs and show that the GC-biased gene conversion affects SNVs flanking crossover events. This implies that gene conversion events associated with crossover events are much longer (estimated above 500 bp) than those associated with non-crossover events. Highly accurate long-read sequencing combined with the classification of reads to specific cell types provides a new, powerful way to make individual, detailed maps of gene conversion and crossovers for any species.