The genus Mesotoga, the only described mesophilic Thermotogae lineage, is commonly detected in low−temperature anaerobic hydrocarbon−rich environments. Besides mesophily, Mesotoga displays lineage−specific phenotypes, such as no or little H2 production, dependence on sulfur−compound reduction and ability to oxidize acetate, which may influence its ecological role. We used comparative genomics of 18 Mesotoga strains and a transcriptome of M. prima to investigate how life at moderate temperatures affects phylogeography, and to interrogate the genomic features of its lineage−specific metabolism. Phylogenetic analysis revealed three distinct Mesotoga lineages having different geographic distributions patterns and high levels of intra−lineage recombination but little gene−flow between lineages. All 16S rRNA genes from the genomes had ≥ 99% identity whereas average nucleotide identity among genomes was 90.6−98.6% within groups and 80−86% between groups. Including data from metagenomes, phylogeographic patterns reveled that geographical separation is more important for Mesotoga than their thermophilic relatives, and we suggest its distribution is constrained by their strictly anaerobic lifestyle. We propose that H2 oxidation and thiosulfate reduction are accomplished by a sulfide dehydrogenase and a hydrogenase-complex and that a pyruvate:ferredoxin oxidoreductase acquired from Clostridia is responsible for oxidizing acetate.

Temperature is one of the defining parameters of an ecological niche. Most organisms thrive within a temperature range that rarely exceeds ~ 30°C, but the deep subsurface bacterium Kosmotoga olearia can grow over a temperature range of 59°C (20°C - 79°C). To identify genes correlated with this flexible phenotype, we compared transcriptomes of K. olearia cultures grown at its optimal 65°C to those at 30°C, 40°C, and 77°C. The temperature treatments affected expression of 573 of 2,224 K. olearia genes. Notably, this transcriptional response elicits re-modeling of the cellular membrane and changes in metabolism, with increased expression of genes involved in energy and carbohydrate metabolism at high temperatures and up-regulation of amino acid metabolism at lower temperatures. At sub-optimal temperatures, many transcriptional changes were similar to those observed in mesophilic bacteria at physiologically low temperatures, including up-regulation of typical cold stress genes and ribosomal proteins. Comparative genomic analysis of additional Thermotogae genomes, indicate that one of K. olearia's strategies for low temperature growth is increased copy number of some typical cold response genes through duplication and/or lateral acquisition. At 77°C one third of the up-regulated genes are of hypothetical function, indicating that many features of high temperature growth are unknown.

Abstract Single-cell atlases aim to collect the gene expression information for every cell type in an organism but can be challenging to perform in non-model organisms. To try to circumvent the problem of having no verified cell type markers in the parasitic nematode Heligmosomoides bakeri to use for an atlas, we attempted to use orthologs of verified markers from the closely related model organism Caenorhabditis elegans . This resulted in a useful comparison between the two worms for each of the cell types recovered in preliminary H. bakeri single-cell RNA-sequencing. For H. bakeri males and females, robustly recovered cell types include the gametes, embryos, and male intestine, while hypodermis, neurons, muscles, and pharyngeal cells were under-represented cell types. The two worms appear to have a similar hypodermis, cuticle, eggshell, and spermatogenesis process. On the other hand, putative cell identities and cell cycle scores suggest the intestine and muscle cells in H. bakeri may still be cycling and dividing, unlike in C. elegans . Additionally, embryogenesis and early development appear to be quite different between the two worms, with only eight out of 94 confirmed paternal contributions to the embryo in C. elegans (with an ortholog) predicted to also be paternal contributions in H. bakeri . Overall, this new dataset allowed me to move beyond the presence or absence of orthologs to include their tissue specificity and expression level similarities and differences when comparing these two worms to better identify biological processes and traits in a parasitic nematode that are modelled well by C. elegans .

Background Genomes of the parasite Giardia duodenalis are relatively small for eukaryotic genomes, yet there are only six publicly available. Difficulties in assembling the tetraploid G. duodenalis genome from short read sequencing data likely contribute to this lack of genomic information. We sequenced three isolates of G. duodenalis (AWB, BGS, and beaver) on the Oxford Nanopore Technologies MinION whose long reads have the potential to address genomic areas that are problematic for short reads.Results Using a hybrid approach that combines MinION long reads and Illumina short reads to take advantage of the continuity of the long reads and the accuracy of the short reads we generated reference quality genomes for each isolate. The genomes for two of the isolates were evaluated against the available reference genomes for comparison. The third genome for which there is no previous data was then assembled. The long reads were used to find structural variants in each isolate to examine heterozygosity. Consistent with previous findings based on SNPs, Giardia BGS was found to be considerably more heterozygous than the other isolates that are from Assemblage A. We also find an enrichment of variant-specific surface proteins in some of the structural variant regions.Conclusions Our results show that the MinION can be used to generate reference quality genomes in Giardia and further be used to identify structural variant regions that are an important source of genetic variation not previously examined in these parasites.

Abstract Heligmosomoides bakeri (often mistaken for Heligmosomoides polygyrus ) is a promising model for parasitic nematodes with the key advantage of being amenable to study and manipulation within a controlled laboratory environment. While draft genome sequences are available for this worm, which allow for comparative genomic analyses between nematodes, there is a notable lack of information on its gene expression. Here, we have generated biologically replicated RNA-seq datasets from samples taken throughout the parasitic life of H. bakeri . We find extensive transcriptional sexual dimorphism throughout the fourth larval and adult stages of this parasite and identify alternative splicing, glycosylation, and ubiquitination as particularly important processes for establishing and/or maintaining sex-specific gene expression in this species. Further, we find sex-linked differences in transcription related to aging and oxidative and osmotic stress responses. Additionally, we observe a starvation-like signature among transcripts whose expression is consistently up-regulated in males, which may reflect a higher energy expenditure by male worms. We detect evidence of increased importance for anaerobic respiration among the adult worms, which coincides with the parasite’s migration into the physiologically hypoxic environment of the intestinal lumen. Further, we hypothesize that oxygen concentration may be an important driver of the worms encysting in the intestinal mucosa as larvae, which not only fully exposes the worms to their host’s immune system, but also shapes many of the interactions between the host and parasite. We find stage- and sex-specific variation in the expression of immunomodulatory genes and in anthelmintic targets. In addition to generating new hypotheses for follow-up experiments into the worm’s behaviour, physiology, and metabolism, our datasets enable future more in-depth comparisons between nematodes to better define the utility of H. bakeri as a model for parasitic nematodes in general. Author Summary Parasitic nematodes (roundworms) that infect humans and livestock are a major health and economic burden but are challenging to study in a laboratory environment because of their required hosts. One strategy to get around this difficulty is to first study a rodent model to guide targeted experiments in the more difficult study system. Heligmosomoides bakeri is closely related to the nematode parasites of humans and livestock and naturally parasitizes mice. We have generated information on the expression of all the genes in this worm throughout the stages of its life when it is parasitic. This information allows us to examine how different the male and female worms are at the molecular level. We also describe major developmental events that occur in the worm, which extend our understanding of the interactions between this parasite and its host. We analyse the expression of genes known to be involved in interfering with host immune responses and others known to be targeted by drugs designed to kill worms. This new information will allow for better comparisons among nematodes to assess how well this rodent model system works for studying parasitic nematodes in general.

ABSTRACT Intestinal roundworms cause chronic debilitating disease in animals, including humans. A lack of effective vaccines and the emergence of widespread drug resistance only increase the need to better understand parasite clearance mechanisms within the host. Heligmosomoides polygyrus larvae induce a strong intestinal granuloma response within their murine host, which has been associated with resistance. Immune cells, mostly alternatively activated macrophages and eosinophils, accumulate around the tissue encysted parasites to immobilize and damage/kill developing worms. In a one dose (bolus) experimental infection, infected C57Bl/6 mice are unable to clear parasites which results in chronic infection with high worm burdens. However, using a frequent dose trickle model of infection, we, like others, have found that C57Bl/6 mice can clear infection. We found that the clearance is associated with higher granuloma numbers, but no changes in systemic/intestinal Th2 responses. Within the granulomas, we found that myeloid cells had a different transcriptional profile in each of the infected groups, and that high IgG1, but not IgG2c, IgA or IgE, levels were observed around the larvae of only trickle-infected mice. Our results highlight the importance of the granuloma in the host’s ability to clear H. polygyrus and emphasise the need to study this key tissue in more depth, rather than using correlates such as general intestinal or systemic responses. AUTHOR’S SUMMARY Despite decades of research on intestinal parasitic worms, we are still unable to clearly point to why so many people (approximately 1.8 billion) and most livestock/wild animals are infected with these parasites. We have made progress in understanding how the immune system responds to parasitic worms, and how these parasites manipulate our immune system. However, identifying effective clearance mechanisms is complex and context dependent. We have used a model of trickle infection (multiple low doses of parasites) to simulate how people/animals get infected in the real world. Using this model, we have identified the host/parasite interface (the granuloma) within the intestinal tissue to be key in determining the host’s ability to clear worms. Specific gene expression signatures in granuloma immune cells and the presence/absence of antibodies within the granuloma are key factors associated with parasite clearance. Surprisingly, more common identifiers of parasitic worm infections (increased serum antibody levels and/or generalized immune markers) did not associate with protection. These novel findings contribute to a better understanding of the mechanisms underlying effective parasitic worm clearance.