Life inside ant colonies is orchestrated with a diverse set of pheromones, but it is not clear how ants perceive these social cues. It has been proposed that pheromone perception in ants evolved via expansions in the numbers of odorant receptors (ORs) and antennal lobe glomeruli. Here we generate the first mutant lines in ants by disrupting orco , a gene required for the function of all ORs. We find that orco mutants exhibit severe deficiencies in social behavior and fitness, suggesting that they are unable to perceive pheromones. Surprisingly, unlike in Drosophila melanogaster , orco mutant ants also lack most of the approximately 500 antennal lobe glomeruli found in wild-types. These results illustrate that ORs are essential for ant social organization, and raise the possibility that, similar to mammals, receptor function is required for the development and/or maintenance of the highly complex olfactory processing areas in the ant brain.

Abstract There is considerable interest in understanding the effect of transposable elements (TEs) on embryonic development. Studies in humans and mice are limited by the difficulty of working with mammalian embryos, and by the relative scarcity of active TEs in these organisms. Zebrafish is an outstanding model for the study of vertebrate development and over half of its genome consists of diverse TEs. However, zebrafish TEs remain poorly characterized. Here we describe the demography and genomic distribution of zebrafish TEs and their expression throughout embryogenesis using bulk and single-cell RNA sequencing data. These results reveal a highly dynamic genomic ecosystem comprising nearly 2,000 distinct TE families, which vary in copy number by four orders of magnitude and span a wide range of ages. Longer retroelements tend to be retained in intergenic regions, whilst short interspersed nuclear elements (SINEs) and DNA transposons are more frequently found nearby or within genes. Locus-specific mapping of TE expression reveals extensive TE transcription during development. While two thirds of TE transcripts are likely driven by nearby gene promoters, we still observe stage and tissue-specific expression patterns in self-regulated TEs. Long terminal repeat (LTR) retroelements are most transcriptionally active immediately following zygotic genome activation, whereas DNA transposons are enriched amongst transcripts expressed in later stages of development. Single-cell analysis reveals several endogenous retroviruses expressed in specific somatic cell lineages. Overall, our study provides an important resource for using zebrafish as a model to study the impact of TEs on vertebrate development.

Abstract Cys2-His2 Zinc finger genes (ZNFs) form the largest family of transcription factors in metazoans. ZNF evolution is highly dynamic and characterized by the rapid expansion and contraction of numerous subfamilies across the animal phylogeny. The forces and mechanisms underlying rapid ZNF evolution remain poorly understood, but there is growing evidence that the targeting and repression of lineage-specific transposable elements (TEs) plays a major role in the diversification of the Kruppel-associated box ZNF (KZNF) subfamily, which predominates in tetrapod genomes. At present, it is unknown whether this function and co-evolutionary relationship is unique to KZNFs, or a broader feature of metazoan ZNFs. Here, we present evidence that genomic conflict with TEs has been a central driver in the diversification of ZNFs in animals. Sampling from more than 4000 animal genome assemblies, we show that the copy number of retroelements correlates with that of ZNFs across at least 750 million years of metazoan evolution, both within and between major taxonomic groups. Using computational predictions, we show that ZNFs preferentially bind TEs in a diverse set of representative animal species. We further investigate one of the most expansive ZNF subfamilies found in cyprinid fish, which are characterized by a conserved domain we dubbed the Fi sh N -terminal Z inc-finger associated (FiNZ) domain. FiNZ-ZNFs have dramatically expanded in several fish species, including the zebrafish in which we predict ~700 FiNZ-ZNF genes. Almost all are located on the long arm of chromosome 4, and recent duplicates are evolving adaptively under positive selection. Like mammalian KZNFs, the bulk of zebrafish FiNZ-ZNFs are expressed in waves at the onset of zygotic genome activation. Blocking FiNZ-ZNF translation using morpholinos during early zebrafish embryogenesis results in a global de-repression of young, transcriptionally active TEs, likely driven by the failure to establish heterochromatin over these elements. Together, these data suggest that ZNF diversification has been intimately connected to TE expansion throughout animal evolution and that families of ZNFs have been deployed independently in fish and mammals to repress TEs during early embryogenesis.

Abstract C. elegans benefits from a large set of tools for genome manipulation. Yet, the insertion of large DNA constructs and the generation of inversions is still challenging. Here, we adapted the phiC31 integrase system for C. elegans. We generated an integrated phiC31 integrase expressing strain flanked by attP sites that also serves as a landing pad for integration of transgenes by recombination mediated cassette exchange (RCME). This strain is unc-119(-) so RMCE integrants can be produced simply by injection of a plasmid carrying attB sites flanking unc-119(+) and the gene(s) of interest. Additionally, phiC31 integrase is removed concomitantly with integration, eliminating the need to outcross away the integrase. Integrations are relatively easy to obtain for insert sizes up to ~15 kb. Taking advantage of this integration method we establish a dual color fluorescent operon reporter system to study post-transcriptional regulation of mRNA. Last we show that large chromosomal segments can be inverted using phiC31 integrase. Thus the phiC31 integrase system should be a useful addition to the C. elegans toolkit.

Abstract Transposable elements (TEs) make up the bulk of eukaryotic genomes and examples abound of TE-derived sequences repurposed for organismal function. The process by which TEs become coopted remains obscure because most cases involve ancient, transpositionally inactive elements. Reports of active TEs serving beneficial functions are scarce and often contentious due to difficulties in manipulating repetitive sequences. Here we show that recently active TEs in zebrafish encode products critical for embryonic development. Knockdown and rescue experiments demonstrate that the endogenous retrovirus family BHIKHARI-1 (Bik-1) encodes a Gag protein essential for mesoderm development. Mechanistically, Bik-1 Gag associates with the cell membrane and its ectopic expression in chicken embryos alters cell migration. Similarly, depletion of BHIKHARI-2 Gag, a relative of Bik-1, causes defects in neural crest development in zebrafish. We propose an “addiction” model to explain how active TEs can be integrated into conserved developmental processes.