The Daphnia genome reveals a multitude of genes and shows adaptation through gene family expansions.

The intron-exon architecture of many eukaryotic genes raises the intriguing question of whether this unique organization serves any function, or is it simply a result of the spread of functionless introns in eukaryotic genomes. In this review, we show that introns in contemporary species fulfill a broad spectrum of functions, and are involved in virtually every step of mRNA processing. We propose that this great diversity of intronic functions supports the notion that introns were indeed selfish elements in early eukaryotes, but then independently gained numerous functions in different eukaryotic lineages. We suggest a novel criterion of evolutionary conservation, dubbed intron positional conservation, which can identify functional introns.

Denisovans are an extinct group of humans whose morphology remains unknown. Here, we present a method for reconstructing skeletal morphology using DNA methylation patterns. Our method is based on linking unidirectional methylation changes to loss-of-function phenotypes. We tested performance by reconstructing Neanderthal and chimpanzee skeletal morphologies and obtained >85% precision in identifying divergent traits. We then applied this method to the Denisovan and offer a putative morphological profile. We suggest that Denisovans likely shared with Neanderthals traits such as an elongated face and a wide pelvis. We also identify Denisovan-derived changes, such as an increased dental arch and lateral cranial expansion. Our predictions match the only morphologically informative Denisovan bone to date, as well as the Xuchang skull, which was suggested by some to be a Denisovan. We conclude that DNA methylation can be used to reconstruct anatomical features, including some that do not survive in the fossil record.

Summary Regulatory changes are broadly accepted as key drivers of phenotypic divergence. However, identifying regulatory changes that underlie human-specific traits has proven very challenging. Here, we use 63 DNA methylation maps of ancient and present-day humans, as well as of six chimpanzees, to detect differentially methylated regions that emerged in modern humans after the split from Neanderthals and Denisovans. We show that genes affecting the face and vocal tract went through particularly extensive methylation changes. Specifically, we identify widespread hypermethylation in a network of face- and voice-affecting genes ( SOX9 , ACAN , COL2A1 , NFIX and XYLT1 ). We propose that these repression patterns appeared after the split from Neanderthals and Denisovans, and that they might have played a key role in shaping the modern human face and vocal tract.

1 Abstract Denisovans are an extinct group of humans whose morphology is mostly unknown. The scarcity of verified Denisovan fossils makes it challenging to study how they differed in their anatomy, and how well they were adapted to their environment. To gain insight into their evolutionary history, we used a genetic phenotyping approach, where Denisovan anatomy was inferred by detecting gene regulatory changes that likely altered Denisovan skeletal morphology. We then scanned Middle Pleistocene skulls for unclassified specimens that match our Denisovan profile and thus might have been related to Denisovans. We found that the Harbin, Dali, and Kabwe specimens show a particularly good match to the predicted Denisovan profile. We conclude that our genetic phenotyping approach could help classify unidentified specimens, and that Harbin, Dali, and Kabwe likely belonged to individuals closely linked to the Denisovan lineage.

Abstract Identifying evolutionary changes in DNA methylation bears a huge potential for unraveling adaptations that have occurred in modern humans. Over the past decade, computational methods to reconstruct DNA methylation patterns from ancient DNA sequences have been developed, allowing for the exploration of DNA methylation changes during the past hundreds of thousands of years of human evolution. Here, we introduce a new version of RoAM (Reconstruction of Ancient Methylation), a flexible tool that allows for the reconstruction of ancient methylomes, as well as the identification of differentially methylated regions between ancient populations. RoAM incorporates a series of filtering and quality control steps, resulting in highly reliable DNA methylation maps that exhibit similar characteristics to modern maps. To showcase RoAM’s capabilities, we used it to compare ancient methylation patterns between pre- and post-Neolithic revolution samples from the Balkans. Differentially methylated regions separating these populations are shown to be associated with genes related to regulation of sugar metabolism. Notably, we provide evidence for overexpression of the gene PTPRN2 in post-Neolithic revolution samples. PTPRN2 is a key regulator of insulin secretion, and our finding is compatible with hypoinsulinism in pre-Neolithic revolution hunter-gatherers. Additionally, we observe methylation changes in the genes EIF2AK4 and SLC2A5, which provide further evidence to metabolic adaptations to a changing diet during the Neolithic transition. RoAM offers powerful algorithms that position it as a key asset for researchers seeking to identify evolutionary regulatory changes through the lens of paleoepigenetics.

A recent study conducted the first genome-wide scan for selection in Inuit from Greenland using SNP chip data. Here, we report that selection in the region with the second most extreme signal of positive selection in Greenlandic Inuit favored a deeply divergent haplotype that is closely related to the sequence in the Denisovan genome, and was likely introgressed from an archaic population. The region contains two genes, WARS2 and TBX15, and has previously been associated with adipose tissue differentiation and body-fat distribution in humans. We show that the adaptively introgressed allele has been under selection in a much larger geographic region than just Greenland. Furthermore, it is associated with changes in expression of WARS2 and TBX15 in multiple tissues including the adrenal gland and subcutaneous adipose tissue, and with regional DNA methylation changes in TBX15.

One of the biggest challenges in studying how genes work is understanding their effect on the physiology and anatomy of the body. Existing tools try to address this using indirect features, such as expression levels and biochemical pathways. Here, we present Gene ORGANizer (geneorganizer.huji.ac.il), a phenotype-based tool that directly links human genes to the body parts they affect. It is built upon an exhaustive curated database that links more than 7,000 genes to ~150 anatomical parts using >150,000 gene-organ associations. The tool offers user-friendly platforms to analyze the anatomical effects of individual genes, and identify trends within groups of genes. We demonstrate how Gene ORGANizer can be used to make new discoveries, showing that chromosome X is enriched with genes affecting facial features, that positive selection targets genes with more constrained phenotypic effects, and more. We expect Gene ORGANizer to be useful in a variety of evolutionary, medical and molecular studies aimed at understanding the phenotypic effects of genes.

TP53 functions as a tumor suppressor and has been described as the Guardian of the Genome. p53, the protein coded by TP53 predominantly binds regulatory response elements in introns of multiple target genes. We compared identical oligo subsequences in introns of multiple gene/transcripts including TP53, BRCA1, men1, PELP1, SET, HIF1A, ULBP1/2 and IRF3. Some identical oligo subsequences also contain the core response elements of known p53 binding sites or TP53 intronic, autoregulatory response elements and strongly correlate with known miRNAs. We describe how TP53 intronic autoregulatory response elements contribute their preference to p53 binding and propose a computational method to identify targets.