Despite evidence that genetic factors contribute to the duration of gestation and the risk of preterm birth, robust associations with genetic variants have not been identified. We used large data sets that included the gestational duration to determine possible genetic associations.

Abstract The common human single nucleotide polymorphism rs3820282 is associated with multiple phenotypes ranging from gestational length to likelihood of endometriosis and ovarian cancer and can thus serve as a paradigm for a highly pleiotropic genetic variant. Pleiotropy makes it challenging to assign specific causal roles to particular genetic variants. Deleterious mutations in multifunctional genes may cause either the co-occurrence of multiple disorders in the same individuals (i.e., syndromes), or be repeatedly associated with a variety of disorders in a population. Moreover, the adverse effects can occur in combination with advantages in other traits, maintaining high frequencies of deleterious alleles in the population. To reveal the causal role of this specific SNP, we investigated the molecular mechanisms affected by rs3820282 in mice. We have shown previously that rs3820282 introduces a high affinity estrogen receptor 1 binding site at the Wnt4 locus. Having introduced this nucleotide substitution into the homologous site of the mouse genome by CRISPR/Cas 9 we show that this change causes a specific upregulation of Wnt4 transcription in the endometrial stromal cells during the preovulatory estrogen peak in late proestrus. Transcriptomic analysis of the whole uterus reveals broad systemic effects on uterine gene expression, including downregulation of proliferation and induction of many progesterone-regulated pro-implantation genes. The effect on proliferation is limited to the luminal epithelium, whereas other effects involve the uterine stromal compartment. We suggest that in the uterus, these changes could contribute to increased permissiveness to embryo invasion. Yet in other estrogen-responsive tissues, the same changes potentially lead to decreased resistance to invasion by cancer cells and endometriotic foci. A single molecular effect of rs3820282 on Wnt4 expression may thus underlie the various associated phenotypic effects.

Embryo implantation is the first step in the establishment of pregnancy in eutherian (Placental) mammals. Although viviparity evolved prior to the common ancestor of marsupials and eutherian mammals (therian ancestor), implantation is unique to eutherians. The ancestral therian pregnancy likely involved a short phase of attachment between the fetal and maternal tissues followed by parturition rather than implantation, similar to the mode of pregnancy found in marsupials such as the opossum. Embryo implantation in eutherian mammals as well as embryo attachment in opossum, induce a homologous inflammatory response in the uterus. Here, we elucidate the evolutionary mechanism by which the ancestral inflammatory fetal-maternal attachment was transformed into the process of implantation. We performed a comparative transcriptomic and immunohistochemical study of the gravid and non-gravid uteri of two eutherian mammals, armadillo (Dasypus novemcinctus) and hyrax (Procavia capensis); a marsupial outgroup, opossum (Monodelphis domestica); and compared it to previously published data on rabbit (Oryctolagus cuniculus). This taxon sampling allows inference of the eutherian ancestral state. Our results show that in the eutherian lineage, the ancestral inflammatory response was domesticated by suppressing a detrimental component viz. signaling by the cytokine IL17A, while retaining components that are beneficial to placentation, viz. angiogenesis, vascular permeability, remodeling of extracellular matrix. IL17A mediates recruitment of neutrophils to inflamed mucosal tissues, which, if unchecked, can damage the uterus as well as the embryo and lead to expulsion of the fetus. We hypothesized that the uterine decidual stromal cells, which evolved coincidentally with embryo implantation, evolved, in part, to prevent IL17A-mediated neutrophil infiltration. We tested a prediction of this hypothesis in vitro, and showed that decidual stromal cells can suppress differentiation of human naive T cells into IL17A-producing Th17 cells. Together, these results provide a mechanistic understanding of early stages of the evolution of the eutherian mode of pregnancy, and also identify a potentially ancestral function of an evolutionary novelty, the decidual stromal cell-type.

Among mammals, the extent of placental invasion is correlated with vulnerability to malignancy. Animals with more invasive placentation (e.g. humans) are more vulnerable to malignancy, whereas animals with a non-invasive placenta (e.g. ruminants) are less likely to develop malignant cancer. To explain this correlation, we propose the hypothesis of Evolved Levels of Invasibility (ELI) positing that the permissiveness of stromal tissue to invasion is a unitary character affecting both placental and cancer invasion. We provide evidence for this hypothesis by contrasting invasion of human and bovine cancer and placental cells into a lawn of stromal cells from different species. We find that both bovine endometrial and skin fibroblasts are more resistant to invasion of placental and cancer cells than their human counterparts. Gene expression profiling identified genes with high expression in human but not bovine fibroblasts. Knocking down of a subset of them in human fibroblasts leads to significantly stronger resistance to cancer cell invasion. Comparative analysis of gene expression among mammals suggests that humans evolved higher vulnerability to malignancy than the eutherian ancestor, possibly as a correlate of more invasive placentation, and boroeutherians evolved to decrease stromal invasibility. Identifying the evolutionary determinants of stromal invasibility can provide significant insights to develop rational anti-metastatic therapeutics.

The decidual-placental interface is one of the most diverse and rapidly evolving tissues in mammals. Its origin as a chimeric fetal-maternal tissue poses a unique evolutionary puzzle. We present single-cell RNA sequencing atlases from the fetal-maternal interfaces of the opossum, a marsupial, the Malagasy common tenrec, an afrotherian with primitive reproductive features, and mouse, guinea pig, and human. Invasive trophoblast shares a common transcriptomic signature across eutherians, which we argue represents a cell type family that radiated following the evolution of hemochorial placentation. We find evidence that the eutherian decidual stromal cell evolved stepwise from a predecidual state retained in

Gene regulation in the germline ensures the production of high-quality gametes, long-term maintenance of the species, and speciation. Germline transcriptomes undergo dynamic changes after the mitosis-to-meiosis transition in males and have been subject to evolutionary divergence among mammals. However, the mechanism that underlies germline regulatory divergence remains undetermined. Here, we show that endogenous retroviruses influence species-specific germline transcriptomes in mammals. We show that the expression of endogenous retroviruses, particularly the evolutionarily young K family (ERVK), is associated with gene activation after the mitosis-to-meiosis transition in male mice. We demonstrate that accessible chromatin and H3K27ac, a marker of active enhancers, are tightly associated with ERVK loci as well as with the activation of neighboring evolutionarily young germline genes. Thus, ERVKs serve as evolutionarily novel enhancers in mouse spermatogenesis. These ERVK loci bear binding motifs for critical regulators of spermatogenesis such as A-MYB. The genome-wide transposition of ERVKs might have rewired germline gene expression in a species-specific manner. Notably, these features are present in human spermatogenesis, but independently evolved ERVs are associated with expression of germline genes, demonstrating the prevalence of ERV-driven mechanisms in mammals. Together, we propose a model whereby species-specific transcriptomes are fine-tuned by endogenous retroviruses in the mammalian germline.