Understanding why some species have more genetic diversity than others is central to the study of ecology and evolution, and carries potentially important implications for conservation biology. Yet not only does this question remain unresolved, it has largely fallen into disregard. With the rapid decrease in sequencing costs, we argue that it is time to revive it.

Abstract Plasmodium falciparum invades human red blood cells by a series of interactions between host and parasite surface proteins. Here we analyse whole genome sequence data from worldwide human populations, including 765 new genomes from across sub-Saharan Africa, and identify a diverse array of large copy number variants affecting the host invasion receptor genes GYPA and GYPB . We find that a nearby reported association with severe malaria is explained by a complex structural variant that involves the loss of GYPB and gain of two hybrid genes, each with a GYPB extracellular domain and GYPA intracellular domain. This variant reduces the risk of severe malaria by 40% and has recently risen in frequency in parts of Kenya. We show that the structural variant encodes the Dantu blood group antigen, and therefore a serologically distinct red cell phenotype. These findings demonstrate that structural variation of red blood cell invasion receptors is associated with natural resistance to P. falciparum malaria.

Abstract Malaria in humans is largely caused by two divergent species of Plasmodium parasites, P. vivax and P. falciparum , both of which have driven the spread of protective alleles in human populations. Notably, an erythrocyte-specific Duffy null allele (Fy ES ) confers resistance to P. vivax malaria and has been identified as a target of strong, recent positive selection in multiple African admixed populations. Here, we evaluate evidence for selection via adaptive admixture in Oman, where compared to neighboring countries, P. vivax has recently been less common. Genetic ancestry inference using whole genome sequence data from 100 Omanis suggests 9.8% (95% CI: 7.3-12.2%) of their genetic ancestry is shared with east Africa. At the Duffy locus, we find a high frequency of Fy ES and an increase to 76% African ancestry. Comparing with blood group serology for the same individuals, we identify an additional Duffy-null allele that is rare but present across multiple Arabian Peninsula (AP) populations. Finally, we estimate the selection coefficient at Fy ES as 0.031 (95% CI: 0.029-0.034) with likely introduction at least 59 generations ago, older than estimates in other African admixed populations. Although we also observe higher frequency of some P. falciparum -protective alleles in Oman than in other AP populations, African ancestry is not enriched indicating a lack of evidence for adaptive admixture driven by P. falciparum selective pressure. Together, our analyses suggest that Oman’s long history with east African populations resulted in early introduction and selection for Duffy null alleles and may have influenced the prevalence of P. vivax in the region.

Abstract Host genetic factors can confer resistance against malaria, raising the question of whether this has led to evolutionary adaptation of parasite populations. In this study we investigated the correlation between host and parasite genetic variation in 4,171 Gambian and Kenya children ascertained with severe malaria due to Plasmodium falciparum . We identified a strong association between sickle haemoglobin (HbS) in the host and variation in three regions of the parasite genome, including nonsynonymous variants in the acyl-CoA synthetase family member PfACS8 on chromosome 2, in a second region of chromosome 2, and in a region containing structural variation on chromosome 11. The HbS-associated parasite alleles are in strong linkage disequilibrium and have frequencies which covary with the frequency of HbS across populations, in particular being much more common in Africa than other parts of the world. The estimated protective effect of HbS against severe malaria, as determined by comparison of cases with population controls, varies greatly according to the parasite genotype at these three loci. These findings open up a new avenue of enquiry into the biological and epidemiological significance of the HbS-associated polymorphisms in the parasite genome, and the evolutionary forces that have led to their high frequency and strong linkage disequilibrium in African P. falciparum populations.

Abstract PIEZO1 forms a mechanosensitive ion channel involved in regulating calcium levels in red blood cells. E756del, a deletion allele within a short tandem repeat (STR) in PIEZO1 , is common in many African populations and has been proposed to be associated with protection from malarial disease, but epidemiological evidence has been inconsistent. Here, we use Illumina sequencing of amplicons covering the PIEZO1 STR to genotype 5,558 severe malaria cases and 8,174 population controls from The Gambia, Kenya, and Malawi. We estimate a modest effect for E756del and meta-analysis with two published studies, for a total of 8,224 cases and 10,103 controls, reveals a consistent protective effect (OR=0.93, 95% CI 0.88-0.99). By comprehensively genotyping the STR, we identify additional, less common alleles, with two (Q745del and E756ins) showing consistent, but also modest, risk effects across studies. Although allele frequency differentiation between African and non-African populations could be consistent with a selective effect, we show that it is not exceptional compared with STR variants genome wide. Thus, our results support a protective effect of E756del against risk of malaria but with a much smaller effect size than initially reported.

Hepatocystis are apicomplexan parasites nested within the Plasmodium genus that infect primates and other vertebrates, yet few isolates have been genetically characterized. Using taxonomic classification and mapping characteristics, we searched for Hepatocystis infections within publicly available, blood-derived low coverage whole genome sequence (lcWGS) data from 326 wild non-human primates (NHPs) in 17 genera. We identified 30 Hepatocystis infections in Chlorocebus and Papio samples collected from locations in west, east, and south Africa. Hepatocystis cytb sequences from Papio hosts phylogenetically clustered with previously reported isolates from multiple NHP taxa whereas sequences from Chlorocebus hosts form a separate cluster, suggesting they represent a new host-specific clade of Hepatocystis. Additionally, there was no geographic clustering of Hepatocystis isolates suggesting both clades of Hepatocystis could be found in NHPs throughout sub-Saharan Africa. Across the genome, windows of high SNP density revealed candidate hypervariable loci including Hepatocystis-specific gene families possibly involved in immune evasion and genes that may be involved in adaptation to their insect vector and hepatocyte invasion. Overall, this work demonstrates how lcWGS data from wild NHPs can be leveraged to study the evolution of apicomplexan parasites and potentially test for association between host genetic variation and parasite infection.

Gene-flow from an ancestrally differentiated group has been shown to be a powerful source of selectively advantageous variants. To understand whether recent gene-flow may have contributed to adaptation among humans in sub-Saharan Africa, we applied a novel method to identify deviations in ancestry inferred from genome-wide data in 48 populations. Among the signals of ancestry deviation that we find in the Fula, an historically pastoralist ethnic group from the Gambia, are the region that encodes the lactose persistence phenotype, LCT/MCM6, which has the highest proportion of Eurasian ancestry in the genome. The region with the lowest proportion of non-African ancestry is across DARC, which encodes the Duffy null phenotype and is protective for Plasmodium vivax malaria. In the Jola from the Gambia and a Khoesan speaking group from Namibia we find multiple regions with inferred ancestry deviation including the Major Histocompatibility Complex. Our analysis shows the potential for adaptive gene-flow in recent human history.

Although the DNA-binding protein PRDM9 plays a critical role in the specification of meiotic recombination hotspots in mice and apes, it appears to be absent from many vertebrate species, including birds. To learn about the determinants of fine-scale recombination rates and their evolution in natural populations lacking PRDM9, we inferred fine-scale recombination maps from population resequencing data for two bird species, the zebra finch Taeniopygia guttata, and the long-tailed finch, Poephila acuticauda, whose divergence is on par with that between human and chimpanzee. We find that both bird species have hotspots, and these are enriched near CpG islands and transcription start sites. In sharp contrast to what is seen in mice and apes, the hotspots are largely shared between the two species, with indirect evidence of conservation extending across bird species tens of millions of years diverged. These observations link the evolution of hotspots to their genetic architecture, suggesting that in the absence of PRDM9 binding specificity, accessibility of the genome to the cellular recombination machinery, particularly around functional genomic elements, both enables increased recombination and constrains its evolution.

Abstract Although blood group variation was first described over a century ago, our understanding of the genetic variation affecting antigenic expression on the red blood cell surface in many populations is lacking. This deficit limits the ability to accurately type patients, especially as serological testing is not available for all described blood groups, and targeted genotyping panels may lack rare or population-specific variants. Here, we perform serological assays across 24 antigens and whole genome sequencing on 100 Omanis, a population underrepresented in genomic databases. We inferred blood group phenotypes using the most commonly typed genetic variants. The comparison of serological to inferred phenotypes resulted in an average concordance of 96.9%. Among the 22 discordances, we identify seven known variants in four blood groups that, to our knowledge, have not been previously reported in Omanis. Incorporating these variants for phenotype inference, concordance increases to 98.8%. Additionally, we describe five candidate variants in the Lewis, Lutheran, MNS, and P1 blood groups that may affect antigenic expression, although further functional confirmation is required. Notably, we identify several blood group alleles most common in African populations, likely introduced to Oman by gene flow over the last thousand years. These findings highlight the need to evaluate individual populations and their population history when considering variants to include in genotype panels for blood group typing. This research will inform future work in blood banks and transfusion services. Key Points Utilizing whole genome sequencing to infer blood types in Omanis demonstrates high sensitivity for most blood groups Population history influences blood group variation, necessitating population-specific genotype panels