This report of independent genome sequences of two natural populations of Drosophila melanogaster (37 from North America and 6 from Africa) provides unique insight into forces shaping genomic polymorphism and divergence. Evidence of interactions between natural selection and genetic linkage is abundant not only in centromere- and telomere-proximal regions, but also throughout the euchromatic arms. Linkage disequilibrium, which decays within 1 kbp, exhibits a strong bias toward coupling of the more frequent alleles and provides a high-resolution map of recombination rate. The juxtaposition of population genetics statistics in small genomic windows with gene structures and chromatin states yields a rich, high-resolution annotation, including the following: (1) 5'- and 3'-UTRs are enriched for regions of reduced polymorphism relative to lineage-specific divergence; (2) exons overlap with windows of excess relative polymorphism; (3) epigenetic marks associated with active transcription initiation sites overlap with regions of reduced relative polymorphism and relatively reduced estimates of the rate of recombination; (4) the rate of adaptive nonsynonymous fixation increases with the rate of crossing over per base pair; and (5) both duplications and deletions are enriched near origins of replication and their density correlates negatively with the rate of crossing over. Available demographic models of X and autosome descent cannot account for the increased divergence on the X and loss of diversity associated with the out-of-Africa migration. Comparison of the variation among these genomes to variation among genomes from D. simulans suggests that many targets of directional selection are shared between these species.

Abstract Transposable elements (TEs) are selfish genomic parasites that increase their copy number at the expense of host fitness. The “success,” or genome-wide abundance, of TEs differs widely between species. Deciphering the causes for this large variety in TE abundance has remained a central question in evolutionary genomics. We previously proposed that species-specific TE abundance could be driven by the inadvertent consequences of host-direct epigenetic silencing of TEs—the spreading of repressive epigenetic marks from silenced TEs into adjacent sequences. Here, we compared this TE-mediated “epigenetic effect” in six species in the Drosophila melanogaster subgroup to dissect step-by-step the role of such effect in determining genomic TE abundance. We found that TE-mediated spreading of repressive marks is prevalent and substantially varies across and even within species. While this TE-mediated effect alters the epigenetic states of adjacent genes, we surprisingly discovered that the transcription of neighboring genes could reciprocally impact this spreading. Importantly, our multi- species analysis provides the power and appropriate phylogenetic resolution to connect species-specific host chromatin regulation, TE-mediated epigenetic effects, the strength of natural selection against TEs, and genomic TE abundance unique to individual species. Our findings point towards the importance of host chromatin landscapes in shaping genome evolution through the epigenetic effects of a selfish genetic parasite.

Summary From RNA interference to chromatin silencing, diverse genome defense pathways silence selfish genetic elements to safeguard genome integrity 1,2 . Despite their diversity, different defense pathways share a modular organization, where numerous specificity factors identify diverse targets and common effectors silence them. In the PIWI-interacting RNA (piRNA) pathway, which controls selfish elements in the metazoan germline, diverse target RNAs are first identified by complementary base pairing with piRNAs and then silenced by PIWI-clade nucleases via enzymatic cleavage 1,3 . Such a binary architecture allows the defense systems to be readily adaptable, where new targets can be captured via the innovation of new specificity factors 4,5 . Thus, our current understanding of genome defense against lineage-specific selfish genes has been largely limited to the evolution of specificity factors, while it remains poorly understood whether other types of innovations are required. Here, we describe a new type of innovation, which escalates the defense capacity of the piRNA pathway to control a recently expanded selfish gene in Drosophila melanogaster . Through an in vivo RNAi screen for repressors of Stellate —a recently evolved and expanded selfish meiotic driver 6–8 —we discovered a novel defense factor, Trailblazer. Trailblazer is a transcription factor that promotes the expression of two PIWI-clade nucleases, Aub and AGO3, to match Stellate in abundance. Recent innovation in the DNA-binding domain of Trailblazer enabled it to drastically elevate Aub and AGO3 expression in the D. melanogaster lineage, thereby escalating the silencing capacity of the piRNA pathway to control expanded Stellate and safeguard fertility. As copy-number expansion is a recurrent feature of diverse selfish genes across the tree of life 9–12 , we envision that augmenting the defense capacity to quantitatively match selfish genes is likely a repeatedly employed defense strategy in evolution.

Membraneless pericentromeric heterochromatin (PCH) domains play vital roles in chromosome dynamics and genome stability. However, our current understanding of 3D genome organization does not include PCH domains because of technical challenges associated with repetitive sequences enriched in PCH genomic regions. We investigated the 3D architecture of Drosophila melanogaster PCH domains and their spatial associations with euchromatic genome by developing a novel analysis method that incorporates genome-wide Hi-C reads originating from PCH DNA. Combined with cytogenetic analysis, we reveal a hierarchical organization of the PCH domains into distinct “territories.” Strikingly, H3K9me2/3-enriched regions embedded in the euchromatic genome show prevalent 3D interactions with the PCH domain. These spatial contacts require H3K9me2/3 enrichment, are likely mediated by liquid-liquid phase separation, and may influence organismal fitness. Our findings have important implications for how PCH architecture influences the function and evolution of both repetitive heterochromatin and the gene-rich euchromatin.Author summary The three dimensional (3D) organization of genomes in cell nuclei can influence a wide variety of genome functions. However, most of our understanding of this critical architecture has been limited to the gene-rich euchromatin, and largely ignores the gene-poor and repeat-rich pericentromeric heterochromatin, or PCH. PCH comprises large part of most eukaryotic genomes, forms 3D PCH domains in nuclei, and plays vital role in chromosome dynamics and genome stability. In this study, we developed a new method that overcomes the technical challenges imposed by the highly repetitive PCH DNA, and generated a comprehensive picture of its 3D organization. Combined with image analyses, we revealed a hierarchical organization of the PCH domains. Surprisingly, we showed that distant euchromatic regions enriched for repressive epigenetic marks also dynamically interact with the main PCH domains. These 3D interactions are mediated by liquid-liquid phase separation mechanisms, similar to how oil and vinegar separate in salad dressing, and can influence the fitness of individuals. Our discoveries have strong implications for how seemingly “junk” DNA could impact functions in the gene-rich euchromatin.

Long arrays of simple, tandemly repeated DNA sequences (known as satellites) are enriched in centromeres and pericentromeric regions, and contribute to chromosome segregation and other heterochromatin functions. Surprisingly, satellite DNAs are expressed in many multicellular eukaryotes, and their aberrant transcription may contribute to carcinogenesis and cellular toxicity. Satellite transcription and/or RNAs may also promote centromere and heterochromatin activities. However, we lack direct evidence that satellite DNA transcripts are required for normal cell or organismal functions. Here, we show that satellite RNAs derived from AAGAG tandem repeats are transcribed in many cell types throughout Drosophila melanogaster development, enriched in neuronal tissues and testes, localized within heterochromatic regions, and important for viability. Strikingly, we find that AAGAG transcripts are necessary for male fertility and are specifically required for normal histone-protamine exchange and sperm chromatin organization. Since AAGAG RNA-dependent events happen late in spermatogenesis when the transcripts are not detected, we speculate that AAGAG RNA functions in primary spermatocytes to prime post-meiosis steps in sperm maturation. In addition to demonstrating specific essential functions for AAGAG RNAs, comparisons between closely related Drosophila species suggest that satellite repeats and their transcription evolve quickly to generate new functions.

Heterochromatin is a gene-poor and repeat-rich genomic compartment universally found in eukaryotes. Despite its low transcriptional activity, heterochromatin plays important roles in maintaining genome stability, organizing chromosomes, and suppressing transposable elements (TEs). Given the importance of these functions, it is expected that the genes involved in heterochromatin regulation would be highly conserved. Yet, a handful of these genes were found to evolve rapidly. To investigate whether these previous findings are anecdotal or general to genes modulating heterochromatin, we compile an exhaustive list of 106 candidate genes involved in heterochromatin functions and investigate their evolution over short and long evolutionary time scales in

From RNA interference to chromatin silencing, diverse genome defense pathways silence selfish genetic elements to safeguard genome integrity. Despite their diversity, different defense pathways share a modular organization, where numerous specificity factors identify diverse targets and common effectors silence them. In the PIWI-interacting RNA (piRNA) pathway, target RNAs are first identified by complementary base pairing with piRNAs and then silenced by PIWI-clade nucleases. Such a binary architecture allows the defense systems to be readily adaptable, where new targets can be captured via innovation of specificity factors. Thus, our current understanding of genome defense against lineage-specific selfish genes has been largely limited to specificity factor innovations, while it remains poorly understood whether other types of innovations are required. Here, we describe a new type of innovation, which escalates the genome defense capacity to control a recently expanded selfish gene in Drosophila melanogaster . Through a targeted RNAi screen for repressors of Stellate —a recently evolved meiotic driver—we identified a defense factor, Trailblazer. Trailblazer is a transcription factor that promotes the expression of two PIWI-clade nucleases, Aub and AGO3, to match Stellate in abundance. Recent innovation in the DNA-binding domain of Trailblazer enabled it to elevate Aub and AGO3 expression, thereby escalating the silencing capacity of piRNA pathway to tame expanded Stellate and safeguard fertility. As copy-number expansion is a recurrent feature of diverse selfish genes across the tree of life, we envision that augmenting the defense capacity to quantitatively match selfish genes is a repeatedly employed defense strategy in evolution.

Abstract The replicative nature and generally deleterious effects of transposable elements (TEs) give rise to an outstanding question about how TE copy number is stably contained in host populations. Classic theoretical analyses predict that, when the decline in fitness due to each additional TE insertion is greater than linear, or when there is synergistic epistasis, selection against TEs can result in a stable equilibrium of TE copy number. While several mechanisms are predicted to yield synergistic deleterious effects of TEs, we lack empirical investigations of the presence of such epistatic interactions. Purifying selection with synergistic epistasis generates repulsion linkage between deleterious alleles and, accordingly, an underdispersed distribution for the number of deleterious mutations among individuals. We investigated this population genetic signal in an African Drosophila melanogaster population and found evidence for synergistic epistasis among TE insertions, especially those expected to have large fitness impacts. Curiously, even though ectopic recombination has long been predicted to generate nonlinear fitness decline with increased TE copy number, TEs predicted to suffer higher rates of ectopic recombination are not more likely to be underdispersed. On the other hand, underdispersed TE families are more likely to show signatures of deleterious epigenetic effects and stronger ping-pong signals of piRNA amplification, a hypothesized source from which synergism of TE-mediated epigenetic effects arises. Our findings set the stage for investigating the importance of epistatic interactions in the evolutionary dynamics of TEs.