Abstract Growing evidence makes a strong case that epigenetic mechanisms contribute to complex traits, with implications across many fields of biology from dissecting developmental processes to understanding aspects of human health and disease. In ecology, recent studies have merged ecological experimental design with epigenetic analyses to elucidate the contribution of epigenetics to plant phenotypes, stress response, adaptation to habitat, or species range distributions. While there has been some progress in revealing the role of epigenetics in ecological processes, many studies with non-model species have so far been limited to describing broad patterns based on anonymous markers of DNA methylation. In contrast, studies with model species have benefited from powerful genomic resources, which allow for a more mechanistic understanding but have limited ecological realism. To understand the true significance of epigenetics for plant ecology and evolution, we must combine both approaches transferring knowledge and methods from model-species research to genomes of evolutionarily divergent species, and examining responses to complex natural environments at a more mechanistic level. This requires transforming genomics tools specifically for studying non-model species, which is challenging given the large and often polyploid genomes of plants. Collaboration between molecular epigeneticists, ecologists and bioinformaticians promises to enhance our understanding of the mutual links between genome function and ecological processes.

Abstract Thlaspi arvense (field pennycress) is being domesticated as a winter annual oilseed crop capable of improving ecosystems and intensifying agricultural productivity without increasing land use. It is a selfing diploid with a short life cycle and is amenable to genetic manipulations, making it an accessible field-based model species for genetics and epigenetics. The availability of a high quality reference genome is vital for understanding pennycress physiology and for clarifying its evolutionary history within the Brassicaceae. Here, we present a chromosome-level genome assembly of var. MN106-Ref with improved gene annotation, and use it to investigate gene structure differences between two accessions (MN108 and Spring32-10) that are highly amenable to genetic transformation. We describe small RNAs, pseudogenes, and transposable elements, and highlight tissue specific expression and methylation patterns. Resequencing of forty wild accessions provides insights into genome-wide genetic variation as well as QTL regions for flowering time and a seedling color phenotype. Altogether, these data will serve as a tool for pennycress improvement in general and for translational research across the Brassicaceae.

Abstract The tumor suppressor phosphatase and tensin homolog (PTEN) negatively regulates the insulin signaling pathway. Germline PTEN pathogenic variants cause PTEN Hamartoma Tumor Syndrome (PHTS), associated with lipoma development in children. It remains unclear which mechanisms trigger this aberrant adipose tissue growth. Adipocyte progenitor cells (APCs) lose their capacity to differentiate into adipocytes during continuous culture, while APCs from PHTS patients’ lipomas retain their adipogenic potential over a prolonged period. To investigate the role of PTEN in adipose tissue development we performed functional assays and RNA sequencing of control and PTEN knockdown APCs. Reduction of PTEN levels using siRNA or CRISPR lead to an enhanced proliferation and differentiation of APCs. FOXO1 was downregulated on the mRNA level while inactivation through phosphorylation increased. FOXO1 phosphorylation initiates the expression of the lipogenesis activating transcription factor SREBP1. SREBP1 levels were higher after PTEN knockdown and may account for the enhanced adipogenesis. To validate this we overexpressed constitutively active FOXO1 in PTEN CRISPR cells and found reduced adipogenesis, accompanied by a SREBP1 downregulation. We observed that PTEN levels were upregulated during long term culture of wild type APCs. PTEN CRISPR cells showed less senescence compared to controls and the senescence marker CDKN1A (p21) was downregulated in PTEN knockdown cells. Cellular senescence was the most significantly enriched pathway found in RNA sequencing of PTEN knockdown vs. control cells. These results provide evidence that PTEN is involved in the regulation of APCs proliferation, differentiation and senescence, thereby contributing to aberrant adipose tissue growth in PHTS patients.

ABSTRACT Archaeogenetic research over the last decade has demonstrated that European Neolithic farmers (ENFs) were descended primarily from Anatolian Neolithic farmers (ANFs). ENFs, including early Neolithic central European Linearbandkeramik (LBK) farming communities, also harbored ancestry from European Mesolithic hunter gatherers (WHGs) to varying extents, reflecting admixture between ENFs and WHGs. However, the timing and other details of this process are still imperfectly understood. In this report, we provide a bioarchaeological analysis of three individuals interred at the Brunn 2 site of the Brunn am Gebirge-Wolfholz archeological complex, one of the oldest LBK sites in central Europe. Two of the individuals had a mixture of WHG-related and ANF-related ancestry, one of them with approximately 50% of each, while the third individual had approximately all ANF-related ancestry. Stable carbon and nitrogen isotope ratios for all three individuals were within the range of variation reflecting diets of other Neolithic agrarian populations. Strontium isotope analysis revealed that the ~50% WHG-ANF individual was non-local to the Brunn 2 area. Overall, our data indicate interbreeding between incoming farmers, whose ancestors ultimately came from western Anatolia, and local HGs, starting within the first few generations of the arrival of the former in central Europe, as well as highlighting the integrative nature and composition of the early LBK communities.

Background: In the absence of horizontal gene transfer it is possible to reconstruct the history of gene families from empirically determined orthology relations, which are equivalent to event-labeled gene trees. Knowledge of the event labels considerably simplifies the problem of reconciling a gene tree T with a species trees S, relative to the reconciliation problem without prior knowledge of the event types. It is well-known that optimal reconciliations in the unlabeled case may violate time-consistency and thus are not biologically feasible. Here we investigate the mathematical structure of the event labeled reconciliation problem with horizontal transfer. Results: We investigate the issue of time-consistency for the event-labeled version of the reconciliation problem, provide a convenient axiomatic framework, and derive a complete characterization of time-consistent reconciliations. This characterization depends on certain weak conditions on the event-labeled gene trees that reflect conditions under which evolutionary events are observable at least in principle. We give an O(|V(T)|\log(|V(S)|))-time algorithm to decide whether a time-consistent reconciliation map exists. It does not require the construction of explicit timing maps, but relies entirely on the comparably easy task of checking whether a small auxiliary graph is acyclic. The algorithms are implemented in C++ using the boost graph library and are freely available at https://github.com/Nojgaard/tc-recon. Significance: The combinatorial characterization of time consistency and thus biologically feasible reconciliation is an important step towards the inference of gene family histories with horizontal transfer from orthology data, i.e., without presupposed gene and species trees. The fast algorithm to decide time consistency is useful in a broader context because it constitutes an attractive component for all tools that address tree reconciliation problems.

A critical feature of all cellular processes is the ability to control the rate of gene or protein expression and metabolic flux in changing environments through regulatory feedback. We review the many ways that regulation is represented through causal, logical and dynamical components. Formalizing the nature of these components promotes effective comparison among distinct regulatory networks and provides a common framework for the potential design and control of regulatory systems in synthetic biology.

Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder of unknown cause with complex genetic and environmental traits. Here, we show that gene structures of loci, that show AD-associated changes in their expression, evolve faster than the genome at large. This phylogenetic trait of AD suggests a critical pathogenetic role of recent adaptive evolution of human brain and might have far reaching consequences with respect to the appropriateness of model systems and the development of disease-modifying strategies.

The impact of spliceosomal introns on genome and organismal evolution remains puzzling. Here, we investigated the correlative associations among genome-wide features of introns from protein-coding genes (e.g., size, density, genome-content, repeats), genome size and multicellular complexity on 461 eukaryotes. Thus, we formally distinguished simple from complex multicellular organisms (CMOs), and developed the program 'GenomeContent' to systematically estimate genomic traits. We performed robust phylogenetic controlled analyses, by taking into account significant uncertainties in the tree of eukaryotes and variation in genome size estimates. We found that changes in the variation of some intron features (such as size and repeat composition) are only weakly, while other features measuring intron abundance (within and across genes) are not, scaling with changes in genome size at the broadest phylogenetic scale. Accordingly, the strength of these associations fluctuates at the lineage-specific level, and changes in the length and abundance of introns within a genome are found to be largely evolving independently throughout Eukarya. Thereby, our findings are in disagreement with previous estimations claiming a concerted evolution between genome size and introns across eukaryotes. We also observe that intron features vary homogeneously (with low repetitive composition) within fungi, plants and stramenophiles; but they vary dramatically (with higher repetitive composition) within holozoans, chlorophytes, alveolates and amoebozoans. We also found that CMOs and their closest ancestral relatives are characterized by high intron-richness, regardless their genome size. These patterns contrast the narrow distribution of exon features found across eukaryotes. Collectively, our findings unveil spliceosomal introns as a dynamically evolving non-coding DNA class and strongly argue against both, a particular intron feature as key determinant of eukaryotic gene architecture, as well as a major mechanism (adaptive or non-adaptive) behind the evolutionary dynamics of introns over a large phylogenetic scale. We hypothesize that intron-richness is a pre-condition to evolve complex multicellularity.

The first historically documented pandemic caused by Yersinia pestis started as the Justinianic Plague in 541 within the Roman Empire and continued as the so-called First Pandemic until 750. Although palaeogenomic studies have previously identified the causative agent as Y. pestis, little is known about the bacterium's spread, diversity and genetic history over the course of the pandemic. To elucidate the microevolution of the bacterium during this time period, we screened human remains from 20 sites in Austria, Britain, Germany, France and Spain for Y. pestis DNA and reconstructed six new genomes. We present a novel methodological approach assessing SNPs in ancient bacterial genomes, facilitating qualitative analyses of low coverage genomes from a metagenomic background. Phylogenetic analysis reveals the existence of previously undocumented Y. pestis diversity during the 6th-7th centuries, and provides evidence for the presence of multiple distinct Y. pestis strains in Europe. We offer genetic evidence for the presence of the Justinianic Plague in the British Isles, previously only hypothesized from ambiguous documentary accounts, as well as southern France and Spain, and that southern Germany seems to have been affected by at least two distinct Y. pestis strains. Four of the reported strains form a polytomy similar to others seen across the Y. pestis phylogeny, associated with the Second and Third Pandemics. We identified a deletion of a 45 kb genomic region in the most recent First Pandemic strain affecting two virulence factors, intriguingly overlapping with a deletion found in 17th-18th-century genomes of the Second Pandemic.

The genomic inventory of protein domains is an important indicator of an organism regulatory and metabolic capabilities. Existing gene annotations, however, can be plagued by substantial ascertainment biases that make it difficult to obtain and compare quantitative domain data. We find that quantitative trends across the Eukarya can be investigated based on a combination of gene prediction and standard domain annotation pipelines. Species-specific training is required, however, to account for the genomic peculiarities in many lineages. In contrast to earlier studies we find wide-spread statistically significant avoidance of protein domains associated with distinct functional high-level gene-ontology terms.