Determining the genetic basis of cancer requires comprehensive analyses of large collections of histopathologically well-classified primary tumours. Here we report the results of a collaborative study to discover somatic mutations in 188 human lung adenocarcinomas. DNA sequencing of 623 genes with known or potential relationships to cancer revealed more than 1,000 somatic mutations across the samples. Our analysis identified 26 genes that are mutated at significantly high frequencies and thus are probably involved in carcinogenesis. The frequently mutated genes include tyrosine kinases, among them the EGFR homologue ERBB4; multiple ephrin receptor genes, notably EPHA3; vascular endothelial growth factor receptor KDR; and NTRK genes. These data provide evidence of somatic mutations in primary lung adenocarcinoma for several tumour suppressor genes involved in other cancers--including NF1, APC, RB1 and ATM--and for sequence changes in PTPRD as well as the frequently deleted gene LRP1B. The observed mutational profiles correlate with clinical features, smoking status and DNA repair defects. These results are reinforced by data integration including single nucleotide polymorphism array and gene expression array. Our findings shed further light on several important signalling pathways involved in lung adenocarcinoma, and suggest new molecular targets for treatment.

The evolutionary importance of hybridization and introgression has long been debated. Hybrids are usually rare and unfit, but even infrequent hybridization can aid adaptation by transferring beneficial traits between species. Here we use genomic tools to investigate introgression in Heliconius, a rapidly radiating genus of neotropical butterflies widely used in studies of ecology, behaviour, mimicry and speciation. We sequenced the genome of Heliconius melpomene and compared it with other taxa to investigate chromosomal evolution in Lepidoptera and gene flow among multiple Heliconius species and races. Among 12,669 predicted genes, biologically important expansions of families of chemosensory and Hox genes are particularly noteworthy. Chromosomal organization has remained broadly conserved since the Cretaceous period, when butterflies split from the Bombyx (silkmoth) lineage. Using genomic resequencing, we show hybrid exchange of genes between three co-mimics, Heliconius melpomene, Heliconius timareta and Heliconius elevatus, especially at two genomic regions that control mimicry pattern. We infer that closely related Heliconius species exchange protective colour-pattern genes promiscuously, implying that hybridization has an important role in adaptive radiation.

Sheep (Ovis aries) are a major source of meat, milk, and fiber in the form of wool and represent a distinct class of animals that have a specialized digestive organ, the rumen, that carries out the initial digestion of plant material. We have developed and analyzed a high-quality reference sheep genome and transcriptomes from 40 different tissues. We identified highly expressed genes encoding keratin cross-linking proteins associated with rumen evolution. We also identified genes involved in lipid metabolism that had been amplified and/or had altered tissue expression patterns. This may be in response to changes in the barrier lipids of the skin, an interaction between lipid metabolism and wool synthesis, and an increased role of volatile fatty acids in ruminants compared with nonruminant animals.

Abstract Color vision modifications occur in animals via a process known as spectral tuning. In Heliconius butterflies, a genus-specific UVRh opsin duplication led to the evolution of UV color discrimination in Heliconius erato females, a rare trait among butterflies. In the H. melpomene and H. ismenius lineages, the UV2 receptor has been lost. Here we compare how loss of the UV2 photoreceptor has altered the visual system of these butterflies. We compare visual system evolution in three Heliconius butterfly species using a combination of intracellular recordings, ATAC-seq, and antibody staining. We identify several spectral tuning mechanisms including adaptive evolution of opsins, deployment of two types of filtering pigments, and co-expression of two distinct opsins in the same cell. Our data show that opsin gain and loss is driving rapid divergence in Heliconius visual systems via tuning of multiple spectral classes of photoreceptor in distinct lineages, potentially contributing to ongoing speciation in this genus.

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 Across the Metazoa, similar genetic programs are found in the development of analogous, independently evolved, morphological features. The functional significance of this reuse and the underlying mechanisms of co-option remain unclear. Here we identify the co-option of the canonical bilaterian limb pattering program redeployed during cephalopod lens development, a functionally unrelated structure. We show radial expression of transcription factors SP6-9/sp1, Dlx/dll, Pbx/exd, Meis/hth , and a Prdl homolog in the squid Doryteuthis pealeii , similar to expression required in Drosophila limb development. We assess the role of Wnt signaling in the cephalopod lens, a positive regulator in the developing limb, and find the regulatory relationship reversed, with ectopic Wnt signaling leading to lens loss. This regulatory divergence suggests that duplication of SP6-9 in cephalopods may mediate this co-option. These results suggest that the limb network does not exclusively pattern appendage outgrowth but is performing a more universal developmental function: radial patterning.

Abstract Background Opsins are the primary proteins responsible for light detection in animals. Cnidarians (jellyfish, sea anemones, corals) have diverse visual systems that have evolved in parallel with bilaterians (squid, flies, fish) for hundreds of millions of years. Medusozoans (e.g. jellyfish, hydroids) have evolved eyes multiple times, each time independently incorporating distinct opsin orthologs. Anthozoans (e.g. corals, sea anemones,) have diverse light-mediated behaviors and, despite being eyeless, exhibit more extensive opsin duplications than medusozoans. To better understand the evolution of photosensitivity in animals without eyes we increased anthozoan representation in the phylogeny of animal opsins and investigated the large but poorly characterized opsin family in the sea anemone Nematostella vectensis . Results We analyzed genomic and transcriptomic data from 16 species of cnidarians to generate a large opsin phylogeny (708 sequences) with the largest sampling of anthozoan sequences to date. We identified 29 opsins from N. vectensis ( NvOpsins ) with high confidence, using transcriptomic and genomic datasets. We found that lineage-specific opsin duplications are common across Cnidaria, with anthozoan lineages exhibiting among the highest numbers of opsins in animals. To establish putative photosensory function of NvOpsins , we identified canonically conserved protein domains and amino acid sequences essential for opsin function in other animal species. We show high sequence diversity among NvOpsins at sites important for photoreception and transduction, suggesting potentially diverse functions. We further examined the spatiotemporal expression of NvOpsins and found both dynamic expression of opsins during embryonic development and sexually dimorphic opsin expression in adults. Conclusions These data show that lineage-specific duplication and divergence has led to expansive diversity of opsins in eyeless cnidarians, suggesting opsins from these animals may exhibit novel biochemical functions. The variable expression patterns of opsins in N. vectensis suggest opsin gene duplications allowed for a radiation of unique sensory cell types with tissue-and stage-specific functions. This diffuse network of distinct sensory cell types could be an adaptive solution for varied sensory tasks experienced in distinct life history stages in Anthozoans.

In nearly all animals, light sensing mediated by opsin visual pigments is important for survival and reproduction. Eyeless light-sensing systems, though vital for many animals, have received relatively less attention than forms with charismatic or complex eyes. Despite no single light sensing organ, the sea anemone Nematostella vectensis, has 29 opsin genes and multiple light-mediated behaviors throughout development and reproduction, suggesting a deceptively complex light-sensing system. To characterize one aspect of this light-sensing system, we analyzed larval swimming behavior at high wavelength resolution across the ultraviolet and visual spectrum. N. vectensis larvae respond to light at least from 315 to 650 nm, which is a broad sensitivity range even compared to many animals with complex eyes. Swimming in the water column is induced by ultraviolet (UV) and violet wavelengths until 420 nm. Between 420 and 430 nm a behavioral switch occurs where at wavelengths longer than 430 nm, larvae respond to light by swimming down. Swimming down toward the substrate is distinct from light avoidance, as animals do not exhibit positive or negative phototaxis at any wavelength tested. At wavelengths longer than 575 nm, animals in the water column take increasingly longer to respond and this behavior is more variable until 650 nm where larval response is no different from the dark, suggesting these longer wavelengths lie outside of their sensitivity range. Larval swimming is the only motile stage in the life history of N. vectensis, and increased swimming activity in the water column could lead to greater dispersal range in potentially damaging shallow environments with short-wavelength light exposure. Longer wavelength environments may indicate more suitable substrates for metamorphosis into the polyp stage, where the individual will remain for the rest of its life. Future work will test whether this robust behavior is mediated by multiple opsins.

Opsin-mediated phototransduction cascades in photoreceptor cells are primarily responsible for light-mediated behaviors in animals. Although some visual cascades are well-studied, phototransduction mediated by non-visual opsins and in non-model animal lineages are poorly characterized. In the Cnidaria (jellyfish, corals, sea anemones etc.), the sister group to Bilateria (vertebrates, arthropods, mollusks etc.), limited evidence suggests some overlap with bilaterian phototransduction. This raises the question of whether phototransduction pathways arose a single time early in animal evolution or if light signaling cascades have evolved multiple times. These evolutionary patterns remain obscured because almost nothing is known about phototransduction in a major group within Cnidaria, the eyeless Anthozoa (corals, sea anemones, sea pens etc.). To better understand whether bilaterian-like phototransduction could be present in Anthozoa, we phylogenetically characterized 63 genes in 12 protein families known to be crucial in two types of bilaterian phototransduction in the sea anemone Nematostella vectensis. Using high quality genomic data from N. vectensis, we took a candidate gene approach to find phototransduction genes and characterize their expression in development and regeneration. We found that N. vectensis possesses the core suite of proteins for both r-opsin and c-opsin mediated phototransduction. In addition, several new gene subfamilies were identified, particularly in the G protein subunits and TRP channels, and many were anthozoan-specific. We identified a novel G protein α subunit family, which we call GαVI, and characterized its expression in N. vectensis with in situ hybridization. This expansion of phototransduction genes correlates with a large anthozoan-specific radiation in opsin number, suggesting possible coevolution of receptor and signaling diversity in Anthozoa. While further functional experiments on these genes are needed, our findings are in line with the hypothesis that the common ancestor of Eumetazoa had at least two related phototransduction cascades which then further diversified in each animal lineage.