Summary

 The bowhead whale (Balaena mysticetus) is estimated to live over 200 years and is possibly the longest-living mammal. These animals should possess protective molecular adaptations relevant to age-related diseases, particularly cancer. Here, we report the sequencing and comparative analysis of the bowhead whale genome and two transcriptomes from different populations. Our analysis identifies genes under positive selection and bowhead-specific mutations in genes linked to cancer and aging. In addition, we identify gene gain and loss involving genes associated with DNA repair, cell-cycle regulation, cancer, and aging. Our results expand our understanding of the evolution of mammalian longevity and suggest possible players involved in adaptive genetic changes conferring cancer resistance. We also found potentially relevant changes in genes related to additional processes, including thermoregulation, sensory perception, dietary adaptations, and immune response. Our data are made available online (http://www.bowhead-whale.org) to facilitate research in this long-lived species.

Abstract Adaptation to mosquito vectors suited for transmission in urban settings is a major driver in the emergence of arboviruses. To better anticipate future emergence events, it is crucial to assess their potential to adapt to new vector hosts. In this work, we used two different experimental evolution approaches to study the adaptation process of an emerging alphavirus, Mayaro virus (MAYV), to Aedes aegypti , an urban mosquito vector of many arboviruses. We identified E2-T179N as a key mutation increasing MAYV replication in insect cells and enhancing transmission by live Aedes aegypti . In contrast, this mutation decreased viral replication and binding in human fibroblasts, a primary cellular target of MAYV in humans. We also showed that MAYV E2-T179N was attenuated in vivo in a mouse model. We then used structural and experimental analyses to show that MAYV E2-T179N bound less efficiently to human cells, though the decrease in replication or binding was not mediated through interaction with one of the host receptors, Mxra8. When this mutation was introduced in the closely related chikungunya virus, which has caused major outbreaks globally in the past two decades, we observed increased replication in both human and insect cells, suggesting E2 position 179 is an important determinant of alphavirus host-adaptation, although in a virus-specific manner. Collectively, these results indicate that adaptation at the T179 residue in MAYV E2 may result in increased vector competence – but coming at the cost of optimal replication in humans – and may represent a first step towards a future emergence event. Author Summary Mosquito-borne viruses must replicate in both mosquito and vertebrate hosts to be maintained in nature successfully. When viruses that are typically transmitted by forest dwelling mosquitoes enter urban environments due to deforestation or travel, they must adapt to urban mosquito vectors to transmit effectively. For mosquito-borne viruses, the need to also replicate in a vertebrate host like humans constrains this adaptation process. Towards understanding how the emerging alphavirus, Mayaro virus, might adapt to transmission by the urban mosquito vector, Aedes aegypti , we used natural evolution approaches to identify several viral mutations that impacted replication in both mosquito and vertebrate hosts. We show that a single mutation in the receptor binding protein increased transmission by Aedes aegypti but simultaneously reduced replication and disease in a mouse model, suggesting that this mutation alone is unlikely to be maintained in a natural transmission cycle between mosquitoes and humans. Understanding the adaptive potential of emerging viruses is critical to preventing future pandemics.

Summary While SARS-CoV-2 likely has animal origins 1 , the viral genetic changes necessary to adapt this animal-derived ancestral virus to humans are largely unknown, mostly due to low levels of sequence polymorphism and the notorious difficulties in experimental manipulations of coronavirus genomes. We scanned more than 182,000 SARS-CoV-2 genomes for selective sweep signatures and found that a distinct footprint of positive selection is located around a non-synonymous change (A1114G; T372A) within the Receptor-Binding Domain of the Spike protein, which likely played a critical role in overcoming species barriers and accomplishing interspecies transmission from animals to humans. Structural analysis indicated that the substitution of threonine with an alanine in SARS-CoV-2 concomitantly removes a predicted glycosylation site at N370, resulting in more favorable binding predictions to human ACE2, the cellular receptor. Using a novel bacteria-free cloning system for manipulating RNA virus genomes, we experimentally validated that this SARS-CoV-2-unique substitution significantly increases replication in human cells relative to its putative ancestral variant. Notably, this mutation’s impact on virus replication in human cells was much greater than that of the Spike D614G mutant, which has been widely reported to have been selected for during human-to-human transmission 2,3 .

Abstract Theileria orientalis ikeda is a newly identified agent of bovine infectious anemia in the United States. Although it is transmitted by separate tick hosts than Anaplasma marginale – a bacterial etiology of bovine infectious anemia –the geographic distributions of these two infectious organisms overlap, with co-infection reported in some cattle. Only anaplasmosis has approved effective treatment in the United States. To provide rapid diagnostic information for producers with anemic animals, we developed a duplex qPCR for A. marginale and T. orientalis . With a cut-off of 38 cycles, the duplex assay has a sensitivity of 96.97% and a specificity of 100% for A. marginale ; with a cut-off of 45 cycles, the duplex assay has a sensitivity and a specificity of 100% for T. orientalis . In addition to providing a tool for improved clinical decision-making for veterinarians and producers, this qPCR facilitates the study of co-infection rate of cattle in Virginia. Of 1,359 blood samples analyzed, 174 were positive for the presence of T. orientalis , 125 were positive for the presence of A. marginale , and 12 samples were positive for both T. orientalis and A. marginale. This indicated that co-infection of both of these etiologies of bovine infectious anemia does occur within the state of Virginia. It is likely that this pattern of infection will be seen in regions where T. orientalis and A. marginale are endemic, despite the difference in tick vectors.

Abstract As the COVID-19 pandemic enters its fourth year, the pursuit of identifying a progenitor virus to SARS-CoV-2 and understanding the mechanism of its emergence persists, albeit against the backdrop of intensified efforts to monitor the ongoing evolution of the virus and the influx of new mutations. Surprisingly, few residues hypothesized to be essential for SARS-CoV-2 emergence and adaptation to humans have been validated experimentally, despite the importance that these mutations could contribute to the development of effective antivirals. To remedy this, we searched for genomic regions in the SARS-CoV-2 genome that show evidence of past selection around residues unique to SARS-CoV-2 compared with closely related coronaviruses. In doing so, we identified a residue at position 519 in Spike within the receptor binding domain that holds a static histidine in human-derived SARS-CoV-2 sequences but an asparagine in SARS-related coronaviruses from bats and pangolins. In experimental validation, the SARS-CoV-2 Spike protein mutant carrying the putatively ancestral H519N substitution showed reduced replication in human lung cells, suggesting that the histidine residue contributes to viral fitness in the human host. Structural analyses revealed a potential role of Spike residue 519 in mediating conformational transitions necessary for Spike prior to binding with ACE2. Pseudotyped viruses bearing the putatively ancestral N519 also demonstrated significantly reduced infectivity in cells expressing the human ACE2 receptor compared to H519. ELISA data corroborated that H519 enhances Spike binding affinity to the human ACE2 receptor compared to the putatively ancestral N519. Collectively, these findings suggest that the evolutionary transition at position 519 of the Spike protein played a critical role in SARS-CoV-2 emergence and adaptation to the human host. Additionally, this residue presents as a potential drug target for designing small molecule inhibitors tailored to this site.

ABSTRACT Vaccination is critical for the control and prevention of viral outbreaks, yet conventional vaccine platforms may involve trade-offs between immunogenicity and safety. Insect-specific viruses have emerged as a novel vaccine platform to overcome this challenge. Detailed studies of humoral and T-cell responses induced by new insect-specific flavivirus (ISFV)-based vaccine platforms are needed to better understand correlates of protection and improve vaccine efficacy. Previously, we used a novel ISFV called Aripo virus (ARPV) to create a Zika virus (ZIKV) vaccine candidate (designated ARPV/ZIKV). ARPV/ZIKV demonstrated exceptional safety and single-dose efficacy, completely protecting mice from a lethal ZIKV challenge. Here, we explore the development of immune responses induced by ARPV/ZIKV immunization and evaluate its correlates of protection. Passive transfer of ARPV/ZIKV-induced immune sera to naïve mice prior to challenge emphasized the importance of neutralizing antibodies as a correlate of protection. Depletion of T-cells in vaccinated mice and adoptive transfer of ARPV/ZIKV-primed T-cells to naïve mice prior to challenge indicated that ARPV/ZIKV-induced CD4 + and CD8 + T-cell responses contribute to the observed protection but may not be essential for protection during ZIKV challenge. However, vaccination of Rag1 KO, Tcra KO, and muMt − mice demonstrated the critical role for ARPV/ZIKV-induced T-cells in developing protective immune responses following vaccination. Overall, both humoral and T-cell-mediated responses induced by ISFV-based vaccines are important for comprehensive immunity, and ISFV platforms continue to be a promising method for future vaccine development.

The tuatara (Sphenodon punctatus), the only living member of the archaic reptilian order Rhynchocephalia (Sphenodontia) once widespread across Gondwana, is an iconic and enigmatic terrestrial vertebrate endemic to New Zealand. A key link to the now extinct stem reptiles from which dinosaurs, modern reptiles, birds and mammals evolved, the tuatara provides exclusive insights into the ancestral amniotes. The tuatara genome, at ~5 Gbp, is among the largest vertebrate genomes assembled. Analysis of this genome and comparisons to other vertebrates reinforces the uniqueness of the tuatara. Phylogenetic analyses indicate tuatara diverged from the snakes and lizards ~250 MYA. This lineage also shows moderate rates of molecular evolution, with instances of punctuated evolution. Genome sequence analysis identifies expansions of protein, non-protein-coding RNA families, and repeat elements, the latter of which show an extraordinary amalgam of reptilian and mammalian features. Sequencing of this genome provides a valuable resource for deep comparative analyses of tetrapods, as well as for tuatara biology and conservation. It also provides important insights into both the technical challenges and the cultural obligations associated with genome sequencing.

Abstract Environmental seasonality is a potent evolutionary force, capable to maintain polymorphism, promote phenotypic plasticity, and cause bet-hedging. In Drosophila , it has been reported to affect life-history traits, tolerance to abiotic stressors, and immunity. Oscillations in frequencies of alleles underlying fitness-related traits were also documented alongside SNP alleles across genome. Here, we test for seasonal changes in recombination in a natural D. melanogaster population from India using morphological markers of the three major chromosomes. We show that winter flies (collected after the dry season) have significantly higher desiccation tolerance than their autumn counterparts. This difference proved to hold also for hybrids with three independent marker stocks, suggesting its genetic rather than plastic nature. Significant segment-specific changes are documented for recombination rate (in five of 13 intervals) and crossover interference (in five of 16 studied pairs of intervals); both single- and double-crossover rates tended to increase in the winter cohort. The winter flies also display weaker plasticity of recombination characteristics to desiccation. We ascribe the observed differences to indirect selection on recombination caused by directional selection on desiccation tolerance. Our findings suggest that changes in recombination can arise even after a short period of seasonal adaptation (~8–10 generations).

Meiotic recombination is evolutionarily ambiguous, as being associated with both benefits and costs to its bearers, with the resultant dependent on a variety of conditions. While existing theoretical models explain the emergence and maintenance of recombination, some of its essential features remain underexplored. Here we focus on one such feature, recombination plasticity, and test whether recombination response to stress is fitness-dependent. We compare desiccation stress effects on recombination rate and crossover interference in chromosome 3 between desiccation-sensitive and desiccation-tolerant Drosophila lines. We show that relative to desiccation-tolerant genotypes, desiccation-sensitive genotypes exhibit a significant segment-specific increase in single- and double-crossover frequencies across the pericentromeric region of chromosome 3. Significant changes (relaxation) in crossover interference were found for the interval pairs flanking the centromere and extending to the left arm of the chromosome. These results indicate that desiccation is a recombinogenic factor and that desiccation-induced changes in both recombination rate and crossover interference are fitness-dependent, with a tendency of less fitted individuals to produce more variable progeny. Such a dependence may play an important role in the regulation of genetic variation in populations experiencing environmental challenges.