Abstract Viruses have evolved the ability to bind and enter cells through interactions with a wide variety of host cell macromolecules. Here, we screened for AAV capsids that bind two host cell proteins expressed on the mouse blood-brain barrier, LY6A or the related protein LY6C1. Introducing interactions with either protein target generated hundreds of capsids with dramatically enhanced central nervous system (CNS) tropisms. In contrast to the AAV-PHP.B capsid family, which interacts with LY6A and only exhibits its enhanced CNS tropism in a subset of mouse strains, the capsids that engage LY6C1 maintain their CNS tropism in BALB/cJ mice. Compared to conventional in vivo screens for CNS cell transducing capsids, a single round of protein target binding screening recovered significantly more capsids with enhanced performance that were validated in subsequent in vivo screens. Moreover, the initial screening round generated reproducible and quantitative target binding data that enabled the efficient machine learning-guided generation of more diverse targetspecific capsids. This work demonstrates that AAV capsids can be directly targeted to specific proteins to generate potent gene delivery vectors with known mechanisms of action and predictable tropisms.

Abstract Most genome-wide association studies (GWAS) of major depression (MD) have been conducted in samples of European ancestry. Here we report a multi-ancestry GWAS of MD, adding data from 21 studies with 88,316 MD cases and 902,757 controls to previously reported data from individuals of European ancestry. This includes samples of African (36% of effective sample size), East Asian (26%) and South Asian (6%) ancestry and Hispanic/Latinx participants (32%). The multi-ancestry GWAS identified 190 significantly associated loci, 53 of them novel. For previously reported loci from GWAS in European ancestry the power-adjusted transferability ratio was 0.6 in the Hispanic/Latinx group and 0.3 in each of the other groups. Fine-mapping benefited from additional sample diversity: the number of credible sets with ≤5 variants increased from 3 to 12. A transcriptome-wide association study identified 354 significantly associated genes, 205 of them novel. Mendelian Randomisation showed a bidirectional relationship with BMI exclusively in samples of European ancestry. This first multi-ancestry GWAS of MD demonstrates the importance of large diverse samples for the identification of target genes and putative mechanisms.

Speciation with gene flow is an alternative to the nascence of new taxa in strict allopatric separation. Indeed, many taxa have parapatric distributions at present. It is often unclear if these are secondary contacts, e.g. caused by past glaciation cycles or the manifestation of speciation with gene flow, which hampers our understanding of how different forces drive diversification. Here we studied genetic, phenotypic and ecological aspects of divergence in a pair of incipient species, the Kentish (Charadrius alexandrinus) and the white-faced Plovers (C. dealbatus), shorebirds with parapatric breeding ranges along the Chinese coast. We assessed divergence based on molecular markers with different modes of inheritance and quantified phenotypic and ecological divergence in aspects of morphometric, dietary and climatic niches. These analyses revealed small to moderate levels of genetic and phenotypic distinctiveness with symmetric gene flow across the contact area at the Chinese coast. The two species diverged approximately half a million years ago in dynamical isolation and secondary contact due to cycling sea level changes between the Eastern and Southern China Sea in the mid-late Pleistocene. We found evidence of character displacement and ecological niche differentiation between the two species, invoking the role of selection in facilitating divergence despite gene flow. These findings imply that the ecology can indeed counter gene flow through divergent selection and thus contribute to incipient speciation in these plovers. Furthermore, our study highlights the importance of using integrative datasets to reveal the evolutionary history and underlying mechanisms of speciation.

Cytokines are essential regulatory components of the immune system and their aberrant levels have been linked to many disease states. Despite increasing evidence that cytokines operate in concert, many of the physiological interactions between cytokines, and the shared genetic architecture that underlie them, remain unknown. Here we aimed to identify and characterise genetic variants with pleiotropic effects on cytokines - to do this we performed a multivariate genome-wide association study on a correlation network of 11 circulating cytokines measured in 9,263 individuals. Meta-analysis identified a total of 8 loci significantly associated with the cytokine network, of which two (PDGFRB and ABO) had not been detected previously. Bayesian colocalisation analysis revealed shared causal variants between the eight cytokine loci and other traits; in particular, cytokine network variants at the ABO, SERPINE2, and ZFPM2 loci showed pleiotropic effects on the production of immune-related proteins; on metabolic traits such as lipoprotein and lipid levels; on blood-cell related traits such as platelet count; and on disease traits such as coronary artery disease and type 2 diabetes.

Understanding how incipient species are maintained with gene flow is a fundamental question in evolutionary biology. Whole genome sequencing of multiple individuals holds great potential to illustrate patterns of genomic differentiation as well as the associated evolutionary histories. Kentish (Charadrius alexandrinus) and the white-faced (C. dealbatus) plovers, which differ in their phenotype, ecology and behaviour, are two incipient species and parapatrically distributed in East Asia. Previous studies show evidence of genetic diversification with gene flow between the two plovers. Under this scenario, it is of great importance to explore the patterns of divergence at the genomic level and to determine whether specific regions are involved in reproductive isolation and local adaptation. Here we present the first population genomic analysis of the two incipient species based on the de novo Kentish plover reference genome and resequenced populations. We show that the two plover lineages are distinct in both nuclear and mitochondrial genomes. Using model-based coalescence analysis, we found that population sizes of Kentish plover increased whereas white-faced plovers declined during the Last Glaciation Period. Moreover, the two plovers diverged allopatrically, with gene flow occurring after secondary contact. This has resulted in low levels of genome-wide differentiation, although we found evidence of a few highly differentiated genomic regions in both the autosomes and the Z-chromosome. This study illustrates that incipient shorebird species with gene flow after secondary contact can exhibit discrete divergence at specific genomic regions and provides basis to further exploration on the genetic basis of relevant phenotypic traits.

De novo germline mutation is an important factor in the evolution of allelic diversity and disease predisposition in a population. Here, we study the influence of genetically-inferred ancestry and environmental factors on de novo mutation rates and spectra. Using a genetically diverse sample of ~10K whole-genome sequenced trios, one of the largest de novo mutation catalogues to date, we found that genetically-inferred ancestry is associated with modest but significant changes in both germline mutation rate and spectra across continental populations. These effects may be due to genetic or environmental factors correlated with ancestry. We find epidemiological evidence that exposure to tobacco smoke is significantly associated with increased de novo mutation rate, but it does not mediate the observed ancestry effects. Investigation of several other potential mutagenic factors using Mendelian randomisation showed no consistent effects, except for age of menopause, where increased age corresponded to a reduction in de novo mutation rate. Overall, our study presents evidence on new factors influencing de novo mutational rate and spectra.

Traditional genome-wide scans for positive selection have mainly uncovered selective sweeps associated with monogenic traits. While selection on quantitative traits is much more common, very few signals have been detected because of their polygenic nature. We searched for positive selection signals underlying coronary artery disease (CAD) in worldwide populations, using novel approaches to quantify relationships between polygenic selection signals and CAD genetic risk. We identified new candidate adaptive loci that appear to have been directly modified by disease pressures given their significant associations with CAD genetic risk. These candidates were all uniquely and consistently associated with many different male and female reproductive traits suggesting selection may have also targeted these because of their direct effects on fitness. This suggests the presence of widespread antagonistic-pleiotropic tradeoffs on CAD loci, which provides a novel explanation for the maintenance and high prevalence of CAD in modern humans. Lastly, we found that positive selection more often targeted CAD gene regulatory variants using HapMap3 lymphoblastoid cell lines, which further highlights the unique biological significance of candidate adaptive loci underlying CAD. Our study provides a novel approach for detecting selection on polygenic traits and evidence that modern human genomes have evolved in response to CAD-induced selection pressures and other early-life traits sharing pleiotropic links with CAD.

The engineered AAV-PHP.B family of adeno-associated virus efficiently delivers genes throughout the mouse central nervous system. To guide their application across disease models, and to inspire the development of translational gene therapy vectors useful for targeting neurological diseases in humans, we sought to elucidate the host factors responsible for the CNS tropism of AAV-PHP.B vectors. Leveraging CNS tropism differences across mouse strains, we conducted a genome-wide association study, and rapidly identified and verified LY6A as an essential receptor for the AAV-PHP.B vectors in brain endothelial cells. Importantly, this newly discovered mode of AAV binding and transduction is independent of other known AAV receptors and can be imported into different cell types to confer enhanced transduction by the AAV-PHP.B vectors.