Abstract Frogs are an ecologically diverse and phylogenetically ancient group of living amphibians that include important vertebrate cell and developmental model systems, notably the genus Xenopus . Here we report a high-quality reference genome sequence for the western clawed frog, Xenopus tropicalis , along with draft chromosome-scale sequences of three distantly related emerging model frog species, Eleutherodactylus coqui , Engystomops pustulosus and Hymenochirus boettgeri . Frog chromosomes have remained remarkably stable since the Mesozoic Era, with limited Robertsonian (i.e., centric) translocations and end-to-end fusions found among the smaller chromosomes. Conservation of synteny includes conservation of centromere locations, marked by centromeric tandem repeats associated with Cenp-a binding, surrounded by pericentromeric LINE/L1 elements. We explored chromosome structure across frogs, using a dense meiotic linkage map for X. tropicalis and chromatin conformation capture (HiC) data for all species. Abundant satellite repeats occupy the unusually long (∼20 megabase) terminal regions of each chromosome that coincide with high rates of recombination. Both embryonic and differentiated cells show reproducible association of centromeric chromatin, and of telomeres, reflecting a Rabl configuration similar to the “bouquet” structure of meiotic cells. Our comparative analyses reveal 13 conserved ancestral anuran chromosomes from which contemporary frog genomes were constructed.

DNA Polymerase θ (Pol θ or POLQ) is primarily involved in repairing double-stranded breaks in DNA through the alternative pathway known as microhomology-mediated end joining (MMEJ) or theta-mediated end joining (TMEJ). Unlike other DNA repair polymerases, Pol θ is thought to be highly error prone, yet critical for cell survival. We have identified several mutations in the POLQ gene from human melanoma tumors. Through biochemical analysis, we have demonstrated that all three cancer-associated variants experienced altered DNA polymerase activity including a propensity for incorrect nucleotide selection and reduced polymerization rates compared to WT Pol θ. Moreover, the variants are 30 fold less efficient at incorporating a nucleotide during repair and up to 70 fold less accurate at selecting the correct nucleotide opposite a templating base. Taken together, this suggests that aberrant Pol θ has reduced DNA repair capabilities and may also contribute to increased mutagenesis. While this may be beneficial to normal cell survival, the variants were identified in established tumors suggesting that cancer cells may use this promiscuous polymerase to its advantage to promote metastasis and drug resistance.

Despite their recent divergence, muntjac deer show striking karyotype differences. Here we describe new chromosome-scale genome assemblies for the Chinese and Indian muntjacs, Muntiacus reevesi (2n=46) and Muntiacus muntjak (2n=6/7), and analyze their evolution and architecture. We identified six fusion events shared by both species relative to the cervid ancestor and therefore present in the muntjac common ancestor, six fusion events unique to the M. reevesi lineage, and twenty-six fusion events unique to the M. muntjak lineage. One of these M. muntjak fusions reverses an earlier fission in the cervid lineage. Although comparative Hi-C analysis revealed differences in long-range genome contacts and A/B compartment structures, we discovered widespread conservation of local chromatin contacts between the muntjacs, even near the fusion sites. A small number of genes involved in chromosome maintenance show evidence for rapid evolution, possibly associated with the dramatic changes in karyotype. Analysis of muntjac genomes reveals new insights into this unique case of rapid karyotype evolution and the resulting biological variation.

Abstract Hybrid zones that result from secondary contact between diverged populations offer unparalleled insight into the genetic architecture of emerging reproductive barriers and so shed light on the process of speciation. Natural selection and recombination jointly determine their dynamics, leading to a range of outcomes from finely fragmented mixtures of the parental genomes that facilitate introgression to a situation where strong selection against recombinants retains large unrecombined genomic blocks that act as strong barriers to gene flow. In the hybrid zone between the fire-bellied toads Bombina bombina and B. variegata (Anura: Bombinatoridae), two anciently diverged and ecologically distinct taxa meet and produce abundant, fertile hybrids. The dense linkage map presented here enables genomic analysis of the selection-recombination balance that keeps the two gene pools from merging into one. We mapped 4,775 newly developed marker loci from bait-enriched genomic libraries in F2 crosses. The enrichment targets were selected from a draft assembly of the B. variegata genome, after filtering highly repetitive sequences. We developed a novel approach to infer the most likely diplotype per sample and locus from the raw read mapping data, which is robust to over-merging and obviates arbitrary filtering thresholds. Large-scale synteny between Bombina and Xenopus tropicalis supports the resulting linkage map. By assessing the sex of late-stage F2 tadpoles from histological sections, we also identified the sex-determining region in the Bombina genome to 7 cM on LG5, which is homologous to X. tropicalis chromosome 5, and inferred male heterogamety, suggestive of an XY sex determination mechanism. Interestingly, chromosome 5 has been repeatedly recruited as a sex chromosome in anurans with XY sex determination.