Although many de novo genome assembly projects have recently been conducted using high-throughput sequencers, assembling highly heterozygous diploid genomes is a substantial challenge due to the increased complexity of the de Bruijn graph structure predominantly used. To address the increasing demand for sequencing of nonmodel and/or wild-type samples, in most cases inbred lines or fosmid-based hierarchical sequencing methods are used to overcome such problems. However, these methods are costly and time consuming, forfeiting the advantages of massive parallel sequencing. Here, we describe a novel de novo assembler, Platanus, that can effectively manage high-throughput data from heterozygous samples. Platanus assembles DNA fragments (reads) into contigs by constructing de Bruijn graphs with automatically optimized k -mer sizes followed by the scaffolding of contigs based on paired-end information. The complicated graph structures that result from the heterozygosity are simplified during not only the contig assembly step but also the scaffolding step. We evaluated the assembly results on eukaryotic samples with various levels of heterozygosity. Compared with other assemblers, Platanus yields assembly results that have a larger scaffold NG50 length without any accompanying loss of accuracy in both simulated and real data. In addition, Platanus recorded the largest scaffold NG50 values for two of the three low-heterozygosity species used in the de novo assembly contest, Assemblathon 2. Platanus therefore provides a novel and efficient approach for the assembly of gigabase-sized highly heterozygous genomes and is an attractive alternative to the existing assemblers designed for genomes of lower heterozygosity.

Numerous microbes inhabit the human intestine, many of which are uncharacterized or uncultivable. They form a complex microbial community that deeply affects human physiology. To identify the genomic features common to all human gut microbiomes as well as those variable among them, we performed a large-scale comparative metagenomic analysis of fecal samples from 13 healthy individuals of various ages, including unweaned infants. We found that, while the gut microbiota from unweaned infants were simple and showed a high inter-individual variation in taxonomic and gene composition, those from adults and weaned children were more complex but showed a high functional uniformity regardless of age or sex. In searching for the genes over-represented in gut microbiomes, we identified 237 gene families commonly enriched in adult-type and 136 families in infant-type microbiomes, with a small overlap. An analysis of their predicted functions revealed various strategies employed by each type of microbiota to adapt to its intestinal environment, suggesting that these gene sets encode the core functions of adult and infant-type gut microbiota. By analysing the orphan genes, 647 new gene families were identified to be exclusively present in human intestinal microbiomes. In addition, we discovered a conjugative transposon family explosively amplified in human gut microbiomes, which strongly suggests that the intestine is a ‘hot spot’ for horizontal gene transfer between microbes.

Exhaustive gene identification is a fundamental goal in all metagenomics projects.However, most metagenomic sequences are unassembled anonymous fragments, and conventional gene-finding methods cannot be applied.We have developed a prokaryotic gene-finding program, MetaGene, which utilizes di-codon frequencies estimated by the GC content of a given sequence with other various measures.MetaGene can predict a whole range of prokaryotic genes based on the anonymous genomic sequences of a few hundred bases, with a sensitivity of 95% and a specificity of 90% for artificial shotgun sequences (700 bp fragments from 12 species).MetaGene has two sets of codon frequency interpolations, one for bacteria and one for archaea, and automatically selects the proper set for a given sequence using the domain classification method we propose.The domain classification works properly, correctly assigning domain information to more than 90% of the artificial shotgun sequences.Applied to the Sargasso Sea dataset, MetaGene predicted almost all of the annotated genes and a notable number of novel genes.MetaGene can be applied to wide variety of metagenomic projects and expands the utility of metagenomics.

Abstract Chloroplasts in photosynthetic eukaryotes originated from a cyanobacterial endosymbiosis far more than 1 billion years ago 1-3 . Due to this ancientness, it remains unclear how this evolutionary process proceeded. To unveil this mystery, we analysed the whole genome sequence of a photosynthetic rhizarian amoeba 4 , Paulinella micropora 5,6 , which has a chloroplast-like organelle that originated from another cyanobacterial endosymbiosis 7-10 about 0.1 billion years ago 11 . Here we show that the predacious amoeba that engulfed cyanobacteria evolved into a photosynthetic organism very quickly in the evolutionary time scale, probably aided by the drastic genome reorganization activated by large DNA virus. In the endosymbiotic evolution of eukaryotic cells, gene transfer from the endosymbiont genome to the host nucleus is essential for the evolving host cell to control the endosymbiont-derived organelle 12 . In P. micropora , we found that the gene transfer from the free-living and endosymbiotic bacteria to the amoeba nucleus was rapidly activated but both simultaneously ceased within the initiation period of the endosymbiotic evolution, suggesting that the genome reorganization drastically proceeded and completed. During this period, large DNA virus appeared to have infected the amoeba, followed by the rapid amplification and diversification of virus-related genes. These findings led us to re-examine the conventional endosymbiotic evolutionary scenario that exclusively deals with the host and the symbiont, and to extend it by incorporating a third critical player, large DNA virus, which activates the drastic gene transfer and genome reorganization between them. This Paulinella version of the evolutionary hypothesis deserves further testing of its generality in evolutionary systems and could shed light on the unknown roles of large DNA viruses 13 in the evolution of terrestrial life.

Modification of guanosine to N

Abstract Bacterial condensin preferentially loads to single-stranded DNA (ssDNA) in vitro and loads onto rDNA in vivo to support proper chromosome compaction. Thus, the actively transcribing rDNA would provide the ssDNA region for the topological loading of bacterial condensin. We attempted to detect the ssDNA region in the rrnI gene in situ. Non-denaturing sodium bisulfite treatment catalyzed the conversion of cytosines to thymines via uracils (CT-conversion) at locally melted DNA of a bacterial genome. Using next-generation sequencing, we generated an average of 11,000 reads covering each cytosine on the PCR-amplified rDNA segment to obtain the actual CT-conversion rate. In principle, the CT-conversion rate is an accurate guide to detect the formation of the ssDNA segment. We expected that an increment of the CT-conversion rate would reflect a trend toward ssDNA accumulation at a given site within the rDNA. We detected multiple ssDNA segments throughout the rDNA. The deletion mutations of the rDNA that affect the bacterial-condensin loading hindered the ssDNA formation only at the 100–500 bp segment downstream of the promoter. These data support the idea that the ssDNA segment plays a crucial role as the bacterial condensin-loading site and suggest the mechanism of condensin loading onto rDNA.

Abstract N 7 -methylguanosine (m 7 G) in the variable loop region of tRNA is catalyzed by METTL1/WDR4 heterodimer and stabilizes target tRNA. Here, we reveal essential functions of Mettl1 in Drosophila fertility. Knockout of Mettl1 (Mettl1-KO) lost the elongated spermatids and mature sperm, which was fully rescued by a Mettl1-transgene expression, but not a catalytic-dead Mettl1 transgene. This demonstrates that Mettl1-dependent m 7 G is required for spermatogenesis. Mettl1-KO resulted in a loss of m 7 G modification on a subset of tRNAs and a decreased level of tRNA expression. Strikingly, overexpression of the translational elongation factor, EF1α1, which can compete with the rapid tRNA decay (RTD) pathway in S. cerevisiae , significantly counteracted the sterility of Mettl1-KO males, supporting a critical role of m 7 G modification of tRNAs in spermatogenesis. Ribosome profiling showed that Mettl1-KO led to the ribosome stalling at codons decoded by tRNAs that were reduced in expression. Mettl1-KO also significantly reduced the translation efficiency of genes involved in elongated spermatid formation and sperm stability. These findings reveal a developmental role for m 7 G tRNA modifications and indicate that m 7 G modification-dependent tRNA stability differs among tissues.