Ecological adaptation is of major relevance to speciation and sustainable population management, but the underlying genetic factors are typically hard to study in natural populations due to genetic differentiation caused by natural selection being confounded with genetic drift in subdivided populations. Here, we use whole genome population sequencing of Atlantic and Baltic herring to reveal the underlying genetic architecture at an unprecedented detailed resolution for both adaptation to a new niche environment and timing of reproduction. We identify almost 500 independent loci associated with a recent niche expansion from marine (Atlantic Ocean) to brackish waters (Baltic Sea), and more than 100 independent loci showing genetic differentiation between spring- and autumn-spawning populations irrespective of geographic origin. Our results show that both coding and non-coding changes contribute to adaptation. Haplotype blocks, often spanning multiple genes and maintained by selection, are associated with genetic differentiation.

Abstract Atlantic herring is widespread in North Atlantic and adjacent waters and is one of the most abundant vertebrates on earth. This species is well suited to explore genetic adaptation due to minute genetic differentiation at selectively neutral loci. Here we report hundreds of loci underlying ecological adaptation to different geographic areas and spawning conditions. Four of these represent megabase inversions confirmed by long read sequencing. The genetic architecture underlying ecological adaptation in the herring is in conflict with the infinitesimal model for complex traits because of the large shifts in allele frequencies at hundreds of loci under selection.

Abstract Recent adaptive radiations are models for investigating mechanisms contributing to the evolution of biodiversity. An unresolved question is the relative importance of new mutations, ancestral variants, and introgressive hybridization for phenotypic evolution and speciation. Here we address this issue using Darwin’s finches, which vary in size from an 8g warbler finch with a pointed beak to a 40g large ground finch with a massive blunt beak. We present a highly contiguous genome assembly for one of the species and investigate the genomic architecture underlying phenotypic diversity in the entire radiation. Admixture mapping for beak and body size in the small, medium and large ground finches revealed 28 loci showing strong genetic differentiation. These loci represent ancestral haplotype blocks with origins as old as the Darwin’s finch phylogeny (1-2 million years). Genes expressed in the developing beak are overrepresented in these genomic regions. Frequencies of allelic variants at the 28 loci covary with phenotypic similarities in body and beak size across the Darwin’s finch phylogeny. These ancestral haplotypes constitute genetic modules for selection, and act as key determinants of the exceptional phenotypic diversity of Darwin’s finches. Such ancestral haplotype blocks can be critical for how species adapt to environmental variability and change.

Abstract Current knowledge of cancer genomics is biased against non-coding mutations. Here, we use whole genome sequencing data from pediatric brain tumors, combined with evolutionary constraint inferred from 240 mammals to identify genes enriched in non-coding constraint mutations (NCCMs). We compare medulloblastoma (MB, malignant) to pilocytic astrocytoma (PA, benign) and find drastically different NCCM frequencies between the two. In PA, a high NCCM frequency only affects the BRAF locus, while in MB, >500 genes have high levels of NCCMs. Intriguingly, many genes are associated with different age of onset, such as HOXB1 in young patients and NUAK1 in adult patients. Our analysis points to different molecular pathways in different patient groups. These novel candidate driver genes may assist patient stratification in MB and may be useful for treatment options. One-Sentence Summary Non-coding constraint mutations implicate novel candidate genes to stratify medulloblastoma by age and subgroups.

Abstract Chromosomal inversions are associated with local adaptation in many species. However, questions regarding how they are formed, maintained and impact various other evolutionary processes remain elusive. Here, using a large genomic dataset of long-read and short-read sequencing, we ask these questions in one of the most abundant vertebrates on Earth, the Atlantic herring. This species has four megabase-sized inversions associated with ecological adaptation that correlate with water temperature. The S and N inversion alleles at these four loci dominate in the southern and northern parts, respectively, of the species distribution in the North Atlantic Ocean. By determining breakpoint coordinates of the four inversions and the structural variations surrounding them, we hypothesize that these inversions are formed by ectopic recombination between duplicated sequences immediately outside of the inversions. We show that these are old inversions (>1 MY), albeit formed after the split between Atlantic herring and its sister species, the Pacific herring. They are yet to reach mutation-flux equilibrium, but the large Ne of herring combined with the common occurrence of opposite homozygotes across the species distribution has allowed effective purifying selection to prevent accumulation of genetic load and repeats within the inversions.

Recent advances in comparative genomics have revealed that divergence between populations is not necessarily uniform across all parts of the genome. There are examples of regions with divergent haplotypes that are substantially more different from each other that the genomic average. Typically, these regions are of interest, as their persistence over long periods of time may reflect balancing selection. However, they are hard to detect unless the divergent sub-populations are known prior to analysis. Here, we introduce HaploDistScan, an R-package implementing model-free detection of deep-divergence genomic regions based on the distribution of pair-wise haplotype distances, and show that it can detect such regions without use of a priori information about population sub-division. We apply the method to real-world data sets, from ruff and Darwin's finches, and show that we are able to recover known instances of balancing selection — originally identified in studies reliant on detailed phenotyping — using only genotype data. Furthermore, in addition to replicating previously known divergent haplotypes as a proof-of-concept, we identify novel regions of interest in the Darwin's finch genome and propose a plausible, data-driven evolutionary history for each novel locus individually. In conclusion, HaploDistScan requires neither phenotypic nor demographic input data, thus filling a gap in the existing set of methods for genome scanning, and provides a useful tool for identification of regions under balancing selection or similar evolutionary processes.

ABSTRACT The transcription factor and cell cycle regulator p53 is marked for degradation by the ubiquitin ligase MDM2. The interaction between these two proteins is mediated by a conserved binding motif in the disordered p53 transactivation domain (p53TAD) and the folded SWIB domain in MDM2. The conserved motif in p53TAD from zebrafish displays a 20-fold weaker interaction with MDM2, compared to the interaction in human and chicken. To investigate this apparent difference, we tracked the molecular evolution of the p53TAD/MDM2 interaction among ray- finned fishes (Actinopterygii), the largest vertebrate clade. Intriguingly, phylogenetic analyses, ancestral sequence reconstructions, and binding experiments showed that different loss-of- affinity changes in the canonical binding motif within p53TAD have occurred repeatedly and convergently in different fish lineages, resulting in relatively low extant affinities ( K D = 0.5-5 μM). However, for eleven different fish p53TAD/MDM2 interactions, non-conserved regions flanking the canonical motif increased the affinity 4 to 73-fold to be on par with the human interaction. Our findings suggest that compensating changes at conserved and non-conserved positions within the motif, as well as in flanking regions of low conservation, underlie a stabilizing selection of “functional affinity” in the p53TAD/MDM2 interaction. Such interplay complicates bioinformatic prediction of binding and call for experimental validation. Motif- mediated protein-protein interactions involving short binding motifs and folded interaction domains are very common across multicellular life. It is likely that evolution of affinity in motif- mediated interactions often involves an interplay between specific interactions made by conserved motif residues and non-specific interactions by non-conserved disordered regions.

Artificial selection has, for decades, provided a powerful approach to study the genetics of adaptation. Using selective-sweep mapping, it is possible to identify genomic regions in populations where the allele-frequencies have diverged during selection. To avoid misleading signatures of selection, it is necessary to show that a sweep has an effect on the selected trait before it can be considered adaptive. Here, we confirm candidate selective-sweeps on a genome-wide scale in one of the longest, on-going bi-directional selection experiments in vertebrates, the Virginia high and low body-weight selected chicken lines. The candidate selective-sweeps represent standing genetic variants originating from the common base-population. Using a deep-intercross between the selected lines, 16 of 99 evaluated regions were confirmed to contain adaptive selective-sweeps based on their association with the selected trait, 56-day body-weight. Although individual additive effects were small, the fixation for alternative alleles in the high and low body-weight lines across these loci contributed at least 40% of the divergence between them and about half of the additive genetic variance present within and between the lines after 40 generations of selection. The genetic variance contributed by the sweeps corresponds to about 85% of the additive genetic variance of the base-population, illustrating that these loci were major contributors to the realised selection-response. Thus, the gradual, continued, long- term selection response in the Virginia lines was likely due to a considerable standing genetic variation in a highly polygenic genetic architecture in the base-population with contributions from a steady release of selectable genetic variation from new mutations and epistasis throughout the course of selection.

Abstract The European sprat is a small plankton-feeding clupeid present in the northeastern Atlantic Ocean, in the Mediterranean Sea, and in the brackish Baltic Sea and Black Sea. This species is the target of a major fishery and, therefore, an accurate characterization of its genetic population structure is crucial to delineate proper stock assessments that aid ensuring the fishery's sustainability. Here, we present (i) a draft genome assembly, (ii) pooled whole genome sequencing of 19 population samples covering most of the species’ distribution range, and (iii) the design and test of a single nucleotide polymorphism (SNP)-chip resource and use this to validate the population structure inferred from pooled sequencing. These approaches revealed, using the populations sampled here, three major groups of European sprat: Oceanic, Coastal, and Brackish with limited differentiation within groups even over wide geographical stretches. Genetic structure is largely driven by six large putative inversions that differentiate Oceanic and Brackish sprats, while Coastal populations display intermediate frequencies of haplotypes at each locus. Interestingly, populations from the Baltic and the Black Seas share similar frequencies of haplotypes at these putative inversions despite their distant geographic location. The closely related clupeids European sprat and Atlantic herring both show genetic adaptation to the brackish Baltic Sea, providing an opportunity to explore the extent of genetic parallelism. This analysis revealed limited parallelism because out of 125 independent loci detected in the Atlantic herring, three showed sharp signals of selection that overlapped between the two species and contained single genes such as PRLRA, which encodes the receptor for prolactin, a freshwater-adapting hormone in euryhaline species, and THRB, a receptor for thyroid hormones, important both for metabolic regulation and the development of red cone photoreceptors.