Mammalian sex chromosomes have undergone profound changes since evolving from ancestral autosomes. By examining retroposed genes in the human and mouse genomes, we demonstrate that, during evolution, the mammalian X chromosome has generated and recruited a disproportionately high number of functional retroposed genes, whereas the autosomes experienced lower gene turnover. Most autosomal copies originating from X-linked genes exhibited testis-biased expression. Such export is incompatible with mutational bias and is likely driven by natural selection to attain male germline function. However, the excess recruitment is consistent with a combination of both natural selection and mutational bias.

Genome assemblies that are accurate, complete and contiguous are essential for identifying important structural and functional elements of genomes and for identifying genetic variation. Nevertheless, most recent genome assemblies remain incomplete and fragmented. While long molecule sequencing promises to deliver more complete genome assemblies with fewer gaps, concerns about error rates, low yields, stringent DNA requirements and uncertainty about best practices may discourage many investigators from adopting this technology. Here, in conjunction with the platinum standard Drosophila melanogaster reference genome, we analyze recently published long molecule sequencing data to identify what governs completeness and contiguity of genome assemblies. We also present a hybrid meta-assembly approach that achieves remarkable assembly contiguity for both Drosophila and human assemblies with only modest long molecule sequencing coverage. Our results motivate a set of preliminary best practices for obtaining accurate and contiguous assemblies, a 'missing manual' that guides key decisions in building high quality de novo genome assemblies, from DNA isolation to polishing the assembly.

Drosophila melanogaster has played a pivotal role in the development of modern population genetics. However, many basic questions regarding the demographic and adaptive history of this species remain unresolved. We report the genome sequencing of 139 wild-derived strains of D. melanogaster, representing 22 population samples from the sub-Saharan ancestral range of this species, along with one European population. Most genomes were sequenced above 25X depth from haploid embryos. Results indicated a pervasive influence of non-African admixture in many African populations, motivating the development and application of a novel admixture detection method. Admixture proportions varied among populations, with greater admixture in urban locations. Admixture levels also varied across the genome, with localized peaks and valleys suggestive of a non-neutral introgression process. Genomes from the same location differed starkly in ancestry, suggesting that isolation mechanisms may exist within African populations. After removing putatively admixed genomic segments, the greatest genetic diversity was observed in southern Africa (e.g. Zambia), while diversity in other populations was largely consistent with a geographic expansion from this potentially ancestral region. The European population showed different levels of diversity reduction on each chromosome arm, and some African populations displayed chromosome arm-specific diversity reductions. Inversions in the European sample were associated with strong elevations in diversity across chromosome arms. Genomic scans were conducted to identify loci that may represent targets of positive selection within an African population, between African populations, and between European and African populations. A disproportionate number of candidate selective sweep regions were located near genes with varied roles in gene regulation. Outliers for Europe-Africa FST were found to be enriched in genomic regions of locally elevated cosmopolitan admixture, possibly reflecting a role for some of these loci in driving the introgression of non-African alleles into African populations.

Snakes exhibit genetic sex determination, with female heterogametic sex chromosomes (ZZ males, ZW females). Extensive cytogenetic work has suggested that the level of sex chromosome heteromorphism varies among species, with Boidae having entirely homomorphic sex chromosomes, Viperidae having completely heteromorphic sex chromosomes, and Colubridae showing partial differentiation. Here, we take a genomic approach to compare sex chromosome differentiation in these three snake families. We identify homomorphic sex chromosomes in boas (Boidae), but completely heteromorphic sex chromosomes in both garter snakes (Colubridae) and pygmy rattlesnake (Viperidae). Detection of W-linked gametologs enables us to establish the presence of evolutionary strata on garter and pygmy rattlesnake sex chromosomes where recombination was abolished at different time points. Sequence analysis shows that all strata are shared between pygmy rattlesnake and garter snake, i.e., recombination was abolished between the sex chromosomes before the two lineages diverged. The sex-biased transmission of the Z and its hemizygosity in females can impact patterns of molecular evolution, and we show that rates of evolution for Z-linked genes are increased relative to their pseudoautosomal homologs, both at synonymous and amino acid sites (even after controlling for mutational biases). This demonstrates that mutation rates are male-biased in snakes (male-driven evolution), but also supports faster-Z evolution due to differential selective effects on the Z. Finally, we perform a transcriptome analysis in boa and pygmy rattlesnake to establish baseline levels of sex-biased expression in homomorphic sex chromosomes, and show that heteromorphic ZW chromosomes in rattlesnakes lack chromosome-wide dosage compensation. Our study provides the first full scale overview of the evolution of snake sex chromosomes at the genomic level, thus greatly expanding our knowledge of reptilian and vertebrate sex chromosomes evolution.

ABSTRACT The development of Cas9/gRNA-mediated gene-drive systems has bolstered the advancement of genetic technologies for controlling vector-borne pathogen transmission. These include population suppression approaches, genetic analogs of insecticidal techniques that reduce the number of vector insects, and population modification (replacement/alteration) approaches, which interfere with competence to transmit pathogens. We developed a recoded gene-drive rescue system for population modification in the malaria vector, Anopheles stephensi , that relieves the load in females caused by integration of the drive into the kynurenine hydroxylase gene by rescuing its function. Non-functional resistant alleles are eliminated via a dominantly-acting maternal effect combined with slower-acting standard negative selection, and a functional resistant allele does not prevent drive invasion. Small cage trials show that single releases of gene-drive males robustly result in efficient population modification with ≥95% of mosquitoes carrying the drive within 5-11 generations over a range of initial release ratios.

Abstract Topologically associating domains (TADs) were recently identified as fundamental units of three-dimensional eukaryotic genomic organization, though our knowledge of the influence of TADs on genome evolution remains preliminary. To study the molecular evolution of TADs in Drosophila species, we constructed a new reference-grade genome assembly and accompanying high-resolution TAD map for D. pseudoobscura . Comparison of D. pseudoobscura and D. melanogaster , which are separated by ∼49 million years of divergence, showed that ∼30-40% of their genomes retain conserved TADs. Comparative genomic analysis of 17 Drosophila species revealed that chromosomal rearrangement breakpoints are enriched at TAD boundaries but depleted within TADs. Additionally, genes within conserved TADs exhibit lower expression divergence than those located in nonconserved TADs. Furthermore, we found that a substantial proportion of long genes (>50 kbp) in D. melanogaster (42%) and D. pseudoobscura (26%) constitute their own TADs, implying transcript structure may be one of the deterministic factors for TAD formation. Using structural variants (SVs) identified from 14 D. melanogaster strains, its 3 closest sibling species from the D. simulans species complex, and two obscura clade species, we uncovered evidence of selection acting on SVs at TAD boundaries, but with the nature of selection differing between SV types. Deletions are depleted at TAD boundaries in both divergent and polymorphic SVs, suggesting purifying selection, whereas divergent tandem duplications are enriched at TAD boundaries relative to polymorphism, suggesting they are adaptive. Our findings highlight how important TADs are in shaping the acquisition and retention of structural mutations that fundamentally alter genome organization.

Many essential functions of organisms are encoded in highly repetitive genomic regions, including histones involved in DNA packaging, centromeres that are core components of chromosome segregation, ribosomal RNA comprising the protein translation machinery, telomeres that ensure chromosome integrity, piRNA clusters encoding host defenses against selfish elements, and virtually the entire Y chromosome. These regions, formed by highly similar tandem arrays, pose significant challenges for experimental and informatic study, impeding sequence-level descriptions essential for understanding genetic variation. Here, we report the assembly and variation analysis of such repetitive regions in

Abstract Butterflies have photoreceptor cells that are sensitive to the ultraviolet part of the spectrum due to ultraviolet-sensitive rhodopsin ( UVRh ), a gene that has been duplicated in the Heliconius genus. In individuals expressing UVRh1 and UVRh2, electrophysiological and behavioral studies demonstrate that these opsin proteins enable discrimination of UV wavelengths. This behavioral trait varies between species, being absent in H. melpomene and limited to females in H. erato . To identify the evolutionary origins of this trait, we first examined UV color vision in H. charithonia , a species related to H. erato in the sara/sapho group. We found that this species also has sexually dimorphic UV color vision. To identify the genetic basis of this trait, we built a reference-grade genome assembly of H. charithonia . We discovered that one duplicate, UVRh1 , is present on the W chromosome, making it obligately female-specific. We employed gDNA PCR assays of UVRh1 across the Heliconius genus. In species with sexually dimorphic UVRh1 mRNA expression, UVRh1 gDNA is absent in males, whereas in species with sexually monomorphic UVRh1 mRNA expression, UVRh1 gDNA is found in both sexes. The presence or absence of male UVRh1 expression across the Heliconius phylogeny supports a model where sexual dimorphism was acquired early via movement of a gene duplication to the W-chromosome. We used CRISPR-Cas9 to engineer a deletion in the UVRh1 locus in female H. charithonia and use immunohistochemistry to show that UVRh1 protein expression is absent in mutant tissue, similar to that of males. Our results show that a rare behavioral phenotype, sex-specific UV color vision, was acquired via sex chromosome gene traffic of a duplicated UV rhodopsin.

Abstract It is well understood that variation in relatedness among individuals, or kinship, can lead to false genetic associations. Multiple methods have been developed to adjust for kinship while maintaining power to detect true associations. However, relatively unstudied, are the effects of kinship on genetic interaction test statistics. Here we performed a survey of kinship effects on studies of six commonly used mouse populations. We measured inflation of main effect test statistics, genetic interaction test statistics, and interaction test statistics reparametrized by the Combined Analysis of Pleiotropy and Epistasis (CAPE). We also performed linear mixed model (LMM) kinship corrections using two types of kinship matrix: an overall kinship matrix calculated from the full set of genotyped markers, and a reduced kinship matrix, which left out markers on the chromosome(s) being tested. We found that test statistic inflation varied across populations and was driven largely by linkage disequilibrium. In contrast, there was no observable inflation in the genetic interaction test statistics. CAPE statistics were inflated at a level in between that of the main effects and the interaction effects. The overall kinship matrix overcorrected the inflation of main effect statistics relative to the reduced kinship matrix. The two types of kinship matrices had similar effects on the interaction statistics and CAPE statistics, although the overall kinship matrix trended toward a more severe correction. In conclusion, we recommend using a LMM kinship correction for both main effects and genetic interactions and further recommend that the kinship matrix be calculated from a reduced set of markers in which the chromosomes being tested are omitted from the calculation. This is particularly important in populations with substantial population structure, such as recombinant inbred lines in which genomic replicates are used.

Genome assemblies that are accurate, complete, and contiguous are essential for identifying important structural and functional elements of genomes and for identifying genetic variation. Nevertheless, most recent genome assemblies remain incomplete and fragmented. While long molecule sequencing promises to deliver more complete genome assemblies with fewer gaps, concerns about error rates, low yields, stringent DNA requirements, and uncertainty about best practices may discourage many investigators from adopting this technology. Here, in conjunction with the platinum standard Drosophila melanogaster reference genome, we analyze recently published long molecule sequencing data to identify what governs completeness and contiguity of genome assemblies. We also present a hybrid meta-assembly approach that achieves remarkable assembly contiguity for both Drosophila and human assemblies with only modest long molecule sequencing coverage. Our results motivate a set of preliminary best practices for obtaining accurate and contiguous assemblies, a ″missing manual″ that guides key decisions in building high quality de novo genome assemblies, from DNA isolation to polishing the assembly.