ABSTRACT Ecological flexibility, extended lifespans, and large brains, have long intrigued evolutionary biologists, and comparative genomics offers an efficient and effective tool for generating new insights into the evolution of such traits. Studies of capuchin monkeys are particularly well situated to shed light on the selective pressures and genetic underpinnings of local adaptation to diverse habitats, longevity, and brain development. Distributed widely across Central and South America, they are inventive and extractive foragers, known for their sensorimotor intelligence. Capuchins have the largest relative brain size of any monkey and a lifespan that exceeds 50 years, despite their small (3-5 kg) body size. We assemble a de novo reference genome for Cebus imitator and provide the first genome annotation of a capuchin monkey. Through high-depth sequencing of DNA derived from blood, various tissues and feces via fluorescence activated cell sorting (fecalFACS) to isolate monkey epithelial cells, we compared genomes of capuchin populations from tropical dry forests and lowland rainforests and identified population divergence in genes involved in water balance, kidney function, and metabolism. Through a comparative genomics approach spanning a wide diversity of mammals, we identified genes under positive selection associated with longevity and brain development. Additionally, we provide a technological advancement in the use of non-invasive genomics for studies of free-ranging mammals. Our intra- and interspecific comparative study of capuchin genomics provides new insights into processes underlying local adaptation to diverse and physiologically challenging environments, as well as the molecular basis of brain evolution and longevity. SIGNIFICANCE Surviving challenging environments, living long lives, and engaging in complex cognitive processes are hallmark characteristics of human evolution. Similar traits have evolved in parallel in capuchin monkeys, but their genetic underpinnings remain unexplored. We developed and annotated a reference assembly for white-faced capuchin monkeys to explore the evolution of these phenotypes. By comparing populations of capuchins inhabiting rainforest versus dry forests with seasonal droughts, we detected selection in genes associated with kidney function, muscular wasting, and metabolism, suggesting adaptation to periodic resource scarcity. When comparing capuchins to other mammals, we identified evidence of selection in multiple genes implicated in longevity and brain development. Our research was facilitated by our new method to generate high- and low-coverage genomes from non-invasive biomaterials.

Analyses of ancient DNA typically involve sequencing the surviving short oligonucleotides and aligning to genome assemblies from related, modern species. Here, we report that skin from a female woolly mammoth (†Mammuthus primigenius) that died 52,000 years ago retained its ancient genome architecture. We use PaleoHi-C to map chromatin contacts and assemble its genome, yielding 28 chromosome-length scaffolds. Chromosome territories, compartments, loops, Barr bodies, and inactive X chromosome (Xi) superdomains persist. The active and inactive genome compartments in mammoth skin more closely resemble Asian elephant skin than other elephant tissues. Our analyses uncover new biology. Differences in compartmentalization reveal genes whose transcription was potentially altered in mammoths vs. elephants. Mammoth Xi has a tetradic architecture, not bipartite like human and mouse. We hypothesize that, shortly after this mammoth's death, the sample spontaneously freeze-dried in the Siberian cold, leading to a glass transition that preserved subfossils of ancient chromosomes at nanometer scale.

Abstract Low genetic variation and high levels of inbreeding are usually a consequence of recent population declines in endangered species. From a conservation point of view, it is essential to genetically screen endangered populations to help assess their vulnerability to extinction and to properly create informed management actions towards their conservation efforts. The leopard, Panthera pardus , is a highly generalist predator with currently eight different subspecies inhabiting a wide range of habitats. Yet, genomic data is still lacking for the Critically Endangered Arabian leopard ( P. p. nimr ). Here, we sequenced the whole genome of two specimens of Arabian leopard and assembled the most complete genomic dataset for leopards to date, including genomic data for all current subspecies. Our phylogenomic analyses show that leopards are divided into two deeply divergent clades, one including the only African subspecies and a second one including all seven subspecies of Asian leopards. Interestingly, the Arabian leopard represents a well-differentiated lineage sister to the rest of Asian subspecies. The demographic history, genomic diversity, Runs of Homozygosity (RoHs), and mutational load in the Arabian leopard indicate a prolonged population decline, which has led to an increase in inbreeding and RoHs, with consequent purging of deleterious mutations. Our study represents the first attempt to genetically inform captive breeding programs for this Critically Endangered subspecies. Still, more genomes, particularly from wild individuals, are needed to fully characterise the genetic makeup of this singular and iconic subspecies.

Abstract Recent advances in long-read sequencing technologies have allowed the generation and curation of more complete genome assemblies, enabling the analysis of traditionally neglected chromosomes, such as the human Y chromosome (chrY). Native DNA was sequenced on a MinION Oxford Nanopore Technologies sequencing device to generate genome assemblies for 7 major chrY human haplogroups. We analyzed and compared the chrY enrichment of sequencing data obtained using two different selective sequencing approaches: adaptive sampling and flow cytometry chromosome sorting. We show that adaptive sampling can produce data to create assemblies comparable to chromosome sorting while being a less expensive and time-consuming technique. We also assessed haplogroup-specific structural variants, which would be otherwise difficult to study using short-read sequencing data only. Finally, we took advantage of this technology to detect and profile epigenetic modifications amongst the considered haplogroups. Altogether, we provide a framework to study complex genomic regions with a simple, fast, and affordable methodology that could be applied to larger population genomics datasets.

Abstract Ancient DNA (aDNA) sequencing analysis typically involves alignment to a modern reference genome assembly from a related species. Since aDNA molecules are fragmentary, these alignments yield information about small-scale differences, but provide no information about larger features such as the chromosome structure of ancient species. We report the genome assembly of a female Late Pleistocene woolly mammoth ( Mammuthus primigenius ) with twenty-eight chromosome-length scaffolds, generated using mammoth skin preserved in permafrost for roughly 52,000 years. We began by creating a modified Hi-C protocol, dubbed PaleoHi-C, optimized for ancient samples, and using it to map chromatin contacts in a woolly mammoth. Next, we developed “reference-assisted 3D genome assembly,” which begins with a reference genome assembly from a related species, and uses Hi-C and DNA-Seq data from a target species to split, order, orient, and correct sequences on the basis of their 3D proximity, yielding accurate chromosome-length scaffolds for the target species. By means of this reference-assisted 3D genome assembly, PaleoHi-C data reveals the 3D architecture of a woolly mammoth genome, including chromosome territories, compartments, domains, and loops. The active (A) and inactive (B) genome compartments in mammoth skin more closely resemble those observed in Asian elephant skin than the compartmentalization patterns seen in other Asian elephant tissues. Differences in compartmentalization between these skin samples reveal sequences whose transcription was potentially altered in mammoth. We observe a tetradic structure for the inactive X chromosome in mammoth, distinct from the bipartite architecture seen in human and mouse. Generating chromosome-length genome assemblies for two other elephantids (Asian and African elephant), we find that the overall karyotype, and this tetradic Xi structure, are conserved throughout the clade. These results illustrate that cell-type specific epigenetic information can be preserved in ancient samples, in the form of DNA geometry, and that it may be feasible to perform de novo genome assembly of some extinct species.

Abstract Modern human contamination is a common problem in ancient DNA studies. We provide evidence that this issue is also present in studies in great apes, which are our closest living relatives, for example in non-invasive samples. Here, we present a simple method to detect human contamination in short read sequencing data from different species. We demonstrate its feasibility using blood and tissue samples from these species. This test is particularly useful for more complex samples (such as museum and non-invasive samples) which have smaller amounts of endogenous DNA, as we show here. Significance statement Human contamination can be a confounding factor in genomic studies, especially in the case of fecal, museum or ancient DNA from great apes. It is important for quality assessment, screening purposes and prioritization to identify and quantify such contamination. The tool presented here is a simple and versatile method for this purpose, and can be applied to a wide range of sample types.

Abstract Uakari monkeys (genus Cacajao ) are endemic to the Amazon rainforest. These have been divided into two main groups: bald and black, mainly based on phenotypic and ecological differences, for which eight taxonomic species have been described. We present 48 geo-localized high coverage whole genomes from uakaris in wild populations across their habitat range. The resolution in terms of sequencing depth provided by this dataset has allowed us to closely explore the structure and evolutionary past of these populations inhabiting the highly dynamic and diverse Amazon rainforest, unavailable until now. Also, we have refined previous phylogenetic estimates by presenting the first whole genome phylogenies available for Cacajao, which were built based on 1Mb and 250kb windows respectively. In this context, bald and black uakaris showed differing genetic diversity ranges, group-specific non-synonymous variation enriched for pathogen-related pathways, and strong population structure, both among and within species. Despite the latter, connectivity was common inside each group whilst strongly shaped by allopatric barriers. Strikingly, even though their habitat ranges partially overlap, no migration was detected between these two groups. Lastly, demographic inference was performed employing a maximum likelihood approach, with which we i) obtained overall higher effective population size estimates for bald extant and ancestral populations than black in agreement with genetic diversity patterns, and ii) found the evolutionary divergence times in the genus were as old as one million years, depicting a quite recent evolutionary history. With this work we increased the representation of wild non-human primates in genomic studies, particularly that of platyrrhine lineages such as Cacajao .

Abstract Background Numerous Ebola virus outbreaks have occurred in Equatorial Africa over the past decades. Besides human fatalities, gorillas and chimpanzees have also succumbed to the fatal virus. The 2004 outbreak at the Odzala-Kokoua National Park (Republic of Congo) alone caused a severe decline in the resident western lowland gorilla ( Gorilla gorilla gorilla ) population, with a 95% mortality rate. Here, we explore the immediate genetic impact of the Ebola outbreak in the western lowland gorilla population. Results Associations with survivorship were evaluated by utilizing DNA obtained from fecal samples from 16 gorilla individuals declared missing after the outbreak (non-survivors) and 15 individuals observed before and after the epidemic (survivors). We used a target enrichment approach to capture the sequences of 123 genes previously associated with immunology and Ebola virus resistance and additionally analyzed the gut microbiome which could influence the survival after an infection. Our results indicate no changes in the population genetic diversity before and after the Ebola outbreak, and no significant differences in microbial community composition between survivors and non-survivors. However, and despite the low power for an association analysis, we do detect six nominally significant missense mutations in four genes that might be candidate variants associated with an increased chance of survival. Conclusion This study offers the first insight to the genetics of a wild great ape population before and after an Ebola outbreak using target capture experiments from fecal samples, and presents a list of candidate loci that may have facilitated their survival.

Abstract SLC22A10 is classified as an orphan transporter with unknown substrates and function. Here we describe the discovery of the substrate specificity and functional characteristics of SLC22A10. The human SLC22A10 tagged with green fluorescent protein was found to be absent from the plasma membrane, in contrast to the SLC22A10 orthologs found in great apes. Estradiol-17β-glucuronide accumulated in cells expressing great ape SLC22A10 orthologs (over 4-fold, p<0.001). In contrast, human SLC22A10 displayed no uptake function. Sequence alignments revealed two amino acid differences including a proline at position 220 of the human SLC22A10 and a leucine at the same position of great ape orthologs. Site-directed mutagenesis yielding the human SLC22A10-P220L produced a protein with excellent plasma membrane localization and associated uptake function. Neanderthal and Denisovan genomes show human-like sequences at proline 220 position, corroborating that SLC22A10 were rendered nonfunctional during hominin evolution after the divergence from the pan lineage (chimpanzees and bonobos). These findings demonstrate that human SLC22A10 is a unitary pseudogene and was inactivated by a missense mutation that is fixed in humans, whereas orthologs in great apes transport sex steroid conjugates.

Abstract How populations adapt to their environment is a fundamental question in biology. Yet we know surprisingly little about this process, especially for endangered species such as non-human great apes. Chimpanzees, our closest living relatives, are particularly interesting because they inhabit diverse habitats, from rainforest to woodland-savannah. Whether genetic adaptation facilitates such habitat diversity remains unknown, despite having wide implications for evolutionary biology and conservation. Using 828 newly generated exomes from wild chimpanzees, we find evidence of fine-scale genetic adaptation to habitat. Notably, adaptation to malaria in forest chimpanzees is mediated by the same genes underlying adaptation to malaria in humans. This work demonstrates the power of non-invasive samples to reveal genetic adaptations in endangered populations and highlights the importance of adaptive genetic diversity for chimpanzees. One-Sentence Summary Chimpanzees show evidence of local genetic adaptation to habitat, particularly to pathogens, such as malaria, in forests.