Snake venoms can exhibit remarkable inter- and intraspecific variation. While diverse ecological and environmental factors are theorised to explain this variation, only a handful of studies have attempted to unravel their precise roles. This knowledge gap not only impedes our understanding of venom evolution but may also have dire consequences on snakebite treatment. To address this shortcoming, we investigated the evolutionary ecology of venoms of Russell's viper (Daboia russelii) and spectacled cobra (Naja naja), India's two clinically most important snakes responsible for an alarming number of human deaths and disabilities. Several individuals (n = 226) of D. russelii and N. naja belonging to multiple clutches (n = 9) and their mothers were maintained in captivity to source ontogenetic stage-specific venoms. Using various in vitro and in vivo assays, we assessed the significance of prey, ontogeny and sex in driving venom composition, function, and potency. Considerable ontogenetic shifts in venom profiles were observed in D. russelii, with the venoms of newborns being many times as potent as juveniles and adults against mammalian (2.3–2.5 ×) and reptilian (2–10 ×) prey. This is the first documentation of the ontogenetic shift in viperine snakes. In stark contrast, N. naja, which shares a biogeographic distribution similar to D. russelii, deployed identical biochemical cocktails across development. Furthermore, the binding kinetics of cobra venom toxins against synthetic target receptors from various prey and predators shed light on the evolutionary arms race. Our findings, therefore, provide fascinating insights into the roles of ecology and life history traits in shaping snake venoms.

Terminal selectors are transcription factors that control the morphological, physiological and molecular features that characterize distinct cell types. Here we use expression analyses and a transgenic reporter line to show that NvPOU4 is expressed in post-mitotic cells that give rise to a diverse set of neural cell types in the sea anemone Nematostella vectensis. We generated a loss-of-function allele by CRISPR/Cas9 and used additional transgenic reporter lines to show that the initial specification of neural cells is not affected in the NvPOU4 mutants. Analyses of transcriptomes derived from the mutants and from different neural cell populations revealed that NvPOU4 is required for the execution of the terminal differentiation program of these neural cells. These findings suggest that POU4 genes have ancient functions as terminal selectors for morphologically and functionally highly disparate types of neurons and they provide experimental support for the relevance of terminal selectors for understanding the evolution of cell types.

Abstract The Common Krait ( Bungarus caeruleus ) shares a distribution range with many other ‘phenotypically-similar’ kraits across the Indian subcontinent. Despite several reports of fatal envenoming by other Bungarus species, commercial Indian antivenoms are only manufactured against B. caeruleus . It is, therefore, imperative to understand the distribution of genetically-distinct lineages of kraits, compositional differences in their venoms, and the consequent impact of venom variation on the (pre)clinical effectiveness of antivenom therapy. To address this knowledge gap, we conducted phylogenetic and comparative venomics investigations of kraits in Southern and Western India. Phylogenetic reconstructions using mitochondrial markers revealed a new species of krait, Romulus’ krait ( B. romulusi ), in Southern India. Additionally, we find that kraits with 17 mid-body dorsal scale rows in Western India do not represent a subspecies of the Sind Krait ( B. sindanus walli ) as previously believed, but are genetically very similar to B. sindanus in Pakistan. Furthermore, venom proteomics and comparative transcriptomics revealed completely contrasting venom profiles. While the venom gland transcriptomes of all three species were highly similar, venom proteomes and toxicity profiles differed significantly, suggesting the prominent role of post-genomic regulatory mechanisms in shaping the venoms of these cryptic kraits. In vitro venom recognition and in vivo neutralisation experiments revealed a strong negative impact of venom variability on the preclinical performance of commercial antivenoms. While the venom of B. caeruleus was neutralised as per the manufacturer’s claim, performance against the venoms of B. sindanus and B. romulusi was alarming, highlighting the need for regionally-effective antivenoms in India.

In therian mammals, inactivation of one of the X-chromosomes in female cells (XX) balances the dosage of X-linked gene expression between the sexes, resulting in monoallelic expression of X-linked genes in females similar to males (XY). Therefore, it creates a dosage imbalance for X-linked genes with respect to the biallelically expressing autosomal genes (AA). X-to-autosome dosage compensation is thought to be achieved by the transcriptional upregulation of many genes from the active X-chromosome in both sexes. Here, we have delineated the role of m6A RNA methylation in the maintenance of dosage compensation in a variety of cell types, including embryonic, extra-embryonic and somatic cells. We show that m6A marks tend to be less enriched on X-linked transcripts compared to the autosomal transcripts in most of the studied cell types. However, our analysis demonstrates that m6A RNA methylation plays a minor role in dosage compensation. We show that the loss of m6A RNA methylation does not affect the maintenance of X-linked gene silencing on the inactive-X in early embryonic lineages, suggesting m6A is dispensable for the maintenance of X-chromosome inactivation. On the contrary, we show that the depletion of m6A affects X-to-autosome dosage compensation, however, the effect is minor and it occurs in a lineage-specific manner. Taken together, our study demonstrates that, although m6A marks are lowly enriched on X-linked transcripts compared to autosomal ones, it is dispensable for the maintenance of X-inactivation and has a minor contribution to the maintenance of X-to-autosome dosage compensation.

Abstract Spider venoms are a complex concoction of enzymes, polyamines, inorganic salts and disulfide-rich peptides (DRPs). Although DRPs are widely distributed and abundant, their evolutionary origin has remained elusive. This knowledge gap stems from the extensive molecular divergence of DRPs and a lack of sequence and structural data from diverse lineages. By evaluating DRPs under a comprehensive phylogenetic, structural and evolutionary framework, we have not only identified over 70 novel spider toxin superfamilies but also provide the first evidence for their common origin. We trace the origin of these toxin superfamilies to a primordial knot - the ‘Adi Shakti’ - nearly ∼375 MYA in the common ancestor of Araneomorphae and Mygalomorphae. As these lineages constitute over 50% of the extant spiders, our findings provide fascinating insights into the early evolution and diversification of the spider venom arsenal. Reliance on a single molecular toxin scaffold by nearly all spiders is in complete contrast to most other venomous animals that have recruited into their venoms diverse toxins with independent origins. Moreover, by comparatively evaluating araneomorph and mygalomorph spiders that differentially depend on their ability to secrete silk for prey capture, we highlight the prominent role of predatory strategies in driving the evolution of spider venom. Significance Statement Venoms are concoctions of biochemicals that function in concert to incapacitate prey or predators of venom-producing animals. Most venomous animals secrete a complex venom cocktail, constituted by toxins with independent evolutionary origins. In complete contrast, we trace the origin of diverse toxin superfamilies in spiders to a single molecular scaffold. The common origin of these disulphide-rich peptides that constitute three-quarters of nearly all spider venoms, therefore, represents a unique scenario of weaponization, where a single motif was recruited and extensively diversified to generate a plethora of superfamilies with distinct activities. Remarkably, the evolution of spider venom was also found to be driven by prey capture (i.e., reliance on silk versus venom) and venom deployment (predation or self-defence) strategies.

Little is known about venom in young developmental stages of animals. The appearance of stinging cells in very early life stages of the sea anemone Nematostella vectensis suggests that toxins and venom are synthesized already in eggs, embryos and larvae of this species. Here we harness transcriptomic and biochemical tools as well as transgenesis to study venom production dynamics in Nematostella. We find that the venom composition and arsenal of toxin-producing cells change dramatically between developmental stages of this species. These findings might be explained by the vastly different ecology of the larva and adult polyp as sea anemones develop from a miniature non-feeding mobile planula to a much larger sessile polyp that predates on other animals. Further, the results suggest a much wider and dynamic venom landscape than initially appreciated in animals with a complex life cycle.

Gene duplication is associated with the evolution of many novel biological functions at the molecular level. The dominant view, often referred to as "neofunctionalization", is that duplications precede many novel gene functions by creating functionally redundant copies which are less constrained than singletons. Numerous alternative models have been formulated, however, including several (such as "subfunctionalization" and "escape from adaptive constraints") in which novel functions emerge prior to duplication. Unfortunately, few studies have reconstructed the evolutionary history of a functionally diverse gene family sufficiently well to differentiate between these models. In order to understand how gene families evolve and to what extent they fit particular evolutionary models, here we examined the evolution of the g2 family of phospholipase A2 in 92 genomes from all major lineages of Vertebrata. This family is evolutionarily important and has been co-opted for a diverse range of functions, including innate immunity and venom. The genomic region in which this family is located is remarkably syntenic. This allowed us to reconstruct all duplication events over hundreds of millions of years of evolutionary history using a novel method to annotate gene clusters, which overcomes many limitations of automatic annotation. Surprisingly, we found that even at this level of resolution our data could not be unambiguously fit to existing models of gene family evolution. This suggests that each model may describe a part-truth that doesn't capture the full complexity of gene family evolution.