We present a draft genome sequence of the platypus, Ornithorhynchus anatinus. This monotreme exhibits a fascinating combination of reptilian and mammalian characters. For example, platypuses have a coat of fur adapted to an aquatic lifestyle; platypus females lactate, yet lay eggs; and males are equipped with venom similar to that of reptiles. Analysis of the first monotreme genome aligned these features with genetic innovations. We find that reptile and platypus venom proteins have been co-opted independently from the same gene families; milk protein genes are conserved despite platypuses laying eggs; and immune gene family expansions are directly related to platypus biology. Expansions of protein, non-protein-coding RNA and microRNA families, as well as repeat elements, are identified. Sequencing of this genome now provides a valuable resource for deep mammalian comparative analyses, as well as for monotreme biology and conservation. The duck-billed platypus (Ornithorhynchus anatinus) is a unique egg-laying mammal, with lactation, venom and a bill. It even has an electro­sensory system for foraging underwater. Platypuses are monotremes descended from the most basal branch of the mammalian lineage and combine aspects of both reptilian and mammalian biology. Now an international consortium reports the sequence and analysis of the platypus genome. It is an amalgam of reptilian, mammalian and its own unique characteristics that provides clues to the function and evolution of all mammalian genomes. As well as helping uncover the origins of genomic imprinting, analyses show that platypus and reptile venom proteins have been co-opted independently from the same gene families; milk protein genes are conserved; and immune gene family expansions are directly related to platypus biology. The sequence provides an invaluable resource for comparative genomics, and it will be important for monotreme conservation. The cover image shows the bill with electro­sensory pits, eye and ear opening behind the eye. Platypuses are monotremes and combine aspects of both reptilian and mammalian behaviour. An international consortium reports the genome sequence and analysis of Ornithorhynchus anatinus and as expected, parts of the genome look more like mammals, whereas other parts more like reptiles or even chickens.

In therian mammals (placentals and marsupials), sex is determined by an XX female: XY male system, in which a gene ( SRY ) on the Y affects male determination. There is no equivalent in other amniotes, although some taxa (notably birds and snakes) have differentiated sex chromosomes. Birds have a ZW female: ZZ male system with no homology with mammal sex chromosomes, in which dosage of a Z-borne gene (possibly DMRT1 ) affects male determination. As the most basal mammal group, the egg-laying monotremes are ideal for determining how the therian XY system evolved. The platypus has an extraordinary sex chromosome complex, in which five X and five Y chromosomes pair in a translocation chain of alternating X and Y chromosomes. We used physical mapping to identify genes on the pairing regions between adjacent X and Y chromosomes. Most significantly, comparative mapping shows that, contrary to earlier reports, there is no homology between the platypus and therian X chromosomes. Orthologs of genes in the conserved region of the human X (including SOX3 , the gene from which SRY evolved) all map to platypus chromosome 6, which therefore represents the ancestral autosome from which the therian X and Y pair derived. Rather, the platypus X chromosomes have substantial homology with the bird Z chromosome (including DMRT1 ) and to segments syntenic with this region in the human genome. Thus, platypus sex chromosomes have strong homology with bird, but not to therian sex chromosomes, implying that the therian X and Y chromosomes (and the SRY gene) evolved from an autosomal pair after the divergence of monotremes only 166 million years ago. Therefore, the therian X and Y are more than 145 million years younger than previously thought.

A bstract Sexually dimorphic behaviours, such as parental care, have long been thought to be driven mostly, if not exclusively, by gonadal hormones. In the past two decades, a few studies have challenged this view, highlighting the direct influence of the sex chromosome complement (XX vs XY or ZZ vs ZW). The African pygmy mouse, Mus minutoides , is a wild mouse species with naturally occurring XY sex reversal induced by a third, feminizing X* chromosome, leading to three female genotypes: XX, XX* and X*Y. Here, we show that sex reversal in X*Y females shapes a divergent maternal care strategy from both XX and XX* females, rather than altering care quality. In addition, we show that sex reversal may also impact the dopaminergic system in the anteroventral periventricular nucleus of the hypothalamus, consistent with one component of maternal care: pup retrieval. Combining behavioural ecology and neurobiology in a rodent subject to natural selection, we evaluate potential candidates for the neural basis of maternal behaviours and strengthen the underestimated role of the sex chromosomes in shaping sex differences in brain and behaviours. All things considered, we further highlight the emergence of a third sexual phenotype, challenging the binary view of phenotypic sexes.

ABSTRACT In mammals, most sex differences in phenotype are controlled by gonadal hormones, but recent work on transgenic mice have shown that sex chromosomes can have a direct influence on sex-specific behaviors. In this study, we take advantage of the naturally occurring sex reversal in a mouse species, Mus minutoides , to investigate for the first time the relationship between sex chromosomes, hormones and behaviors in a wild species. In this model, a feminizing variant of the X chromosome, named X*, produces three types of females with different sex chromosome complements (XX, XX*, and X*Y), associated with alternative behavioral phenotypes, while all males are XY. We thus compared the levels of three major circulating steroid hormones (testosterone, corticosterone and estradiol) in the four sex genotypes to disentangle the influence of sex chromosomes and sex hormones on behavior. First, we did not find any difference in testosterone levels in the three female genotypes, although X*Y females are notoriously more aggressive. Second, in agreement with their lower anxiety-related behaviors, X*Y females and XY males display lower baseline corticosterone concentration than XX and XX* females. Instead of a direct hormonal influence, this result rather suggests that sex chromosomes may have an impact on the baseline corticosterone level, which in turn may influence behaviors. Third, estradiol concentrations do not explain the enhanced reproductive performance and maternal care behavior of the X*Y females compared to the XX and XX* females. Overall, this study highlights that most of the behaviors varying along with sex chromosome complement of this species are driven by genetic factors rather than steroid hormone concentrations.

ABSTRACT Sex chromosomes of eutherian mammals are highly different in size and gene content, and share only a small region of homology (pseudoautosomal region, PAR). They are thought to have evolved through an addition-attrition cycle involving the addition of autosomal segments to sex chromosomes and their subsequent differentiation. The events that drive this process are difficult to investigate because sex chromosomes in most mammals are at a very advanced stage of differentiation. Here, we have taken advantage of a recent translocation of an autosome to both sex chromosomes in the African pygmy mouse Mus minutoides , which has restored a large segment of homology (neo-PAR). By studying meiotic sex chromosome behavior and identifying fully sex-linked genetic markers in the neo-PAR, we demonstrate that this region shows unequivocal signs of early sex-differentiation. First, synapsis and resolution of DNA damage intermediates are delayed in the neo-PAR during meiosis. Second, recombination is suppressed in a large portion of the neo-PAR. However, the inactivation process that characterizes sex chromosomes during meiosis does not extend to this region. Finally, the sex chromosomes show a dual mechanism of association at metaphase-I that involves the formation of a chiasma in the neo-PAR and the preservation of an ancestral achiasmate mode of association in the non-homologous segments. We show that the study of meiosis is crucial to apprehend the onset of sex chromosome differentiation, as it introduces structural and functional constrains to sex chromosome evolution. Synapsis and DNA repair dynamics are the first processes affected in the incipient differentiation of X and Y chromosomes, and they may be involved in accelerating their evolution. This provides one of the very first reports of early steps in neo-sex chromosome differentiation in mammals, and for the first time a cellular framework for the addition-attrition model of sex chromosome evolution. AUTHOR SUMMARY The early steps in the evolution of sex chromosomes are particularly difficult to study. Cessation of recombination around the sex-determining locus is thought to initiate the differentiation of sex chromosomes. Several studies have investigated this process from a genetic point of view. However, the cellular context in which recombination arrest occurs has not been considered as an important factor. In this report, we show that meiosis, the cellular division in which pairing and recombination between chromosomes takes place, can affect the incipient differentiation of X and Y chromosomes. Combining cytogenetic and genomic approaches, we found that in the African pygmy mouse Mus minutoides , which has recently undergone a sex chromosome-autosome fusion, synapsis and DNA repair dynamics are altered along the newly added region of the sex chromosomes, likely interfering with recombination and thus contributing to the genetic isolation of a large segment of the Y chromosome. Therefore, the cellular events that occur during meiosis are crucial to understand the very early stages of sex chromosome differentiation. This can help to explain why sex chromosomes evolve very fast in some organisms while in others they have barely changed for million years.

Abstract A few mammals have unusual sex determining systems whereby fertile XY females live alongside XX females and XY males. These systems are regarded as evolutionary paradoxes because of the production of sex-reversed individuals and non-viable embryos, but they nevertheless seem stable over evolutionary time. Several hypotheses have been proposed to account for their stability, including models involving sex chromosome drive ( i . e ., biased transmission of sex chromosomes to the next generation). Here we corroborate this hypothesis in Mus minutoides , a close relative of the house mouse in which the presence of XY females is due to the evolution of a third sex chromosome: a feminizing X. Through extensive molecular sexing of pups at weaning, we reveal the existence of a remarkable male sex chromosome drive system in this species, whereby direction and strength of drive is conditional upon the genotype of males’ partners: males transmit their Y to almost 80% of their offspring when mating with XX females, and only 36% when mating with XY females. Using mathematical modelling, we explore the joint evolution of these unusual sex-determining and drive systems, revealing that different sequences of events could have led to the evolution of this bizarre system, and that the “conditional” nature of sex chromosome drive stabilizes the feminizing X, and even precludes a return to a standard XX/XY system.

Abstract Sex chromosomes are expected to play a role in shaping the transcriptional architecture of sexual dimorphism, through the direct expression of sex-linked genes, by regulating autosomal genes, or in interactions with hormones. Yet, their degree of involvement remains elusive partly because chromosomal sex (XX/XY or ZZ/ZW) and gonadal sex (ovaries or testes) are usually inextricably intertwined. They are however dissociated in the African pygmy mouse, Mus minutoides, in which a feminizing X (X*) has evolved resulting in three female genotypes (XX, XX* and X*Y) and one male genotype (XY). Despite hormonal levels similar to the other females, X*Y females show distinctive phenotypes with greater fertility, divergent maternal care strategies and the masculinization of some traits (e.g. enhanced aggressiveness). By comparing the brain transcriptome of the four sexual genotypes, we show, here, that differential gene expression is mainly linked to gonadal sex (male vs. female) but also and significantly, to chromosomal sex, with expression patterns matching the singularity of X*Y female traits. Genes with such patterns are over-represented on sex and sex-linked chromosomes, and some are strong candidates to explain X*Y-specific behavioral and reproductive traits. We also report the preferential inactivation of the X* chromosome in XX* females, which could explain their trait similarities with XX females. Overall, we show that sex chromosomes have profoundly impacted the brain transcriptome in ways that reflect their new transmission modes and new resulting conflicts. This opens exciting prospects on the evolution of sex differences in relation to the dynamic of sex chromosome evolution.

The caudal part of the striatum, also named the tail of the striatum (TS), defines a fourth striatal domain. Determining whether rewarding, aversive and salient stimuli regulate the activity of striatal spiny projections neurons (SPNs) of the TS is therefore of paramount importance to understand its functions, which remain largely elusive. Taking advantage of genetically encoded biosensors (A-kinase activity reporter 3, AKAR3) to record PKA signals and by analyzing the distribution of dopamine D1R- and D2R-SPNs in the TS, we characterized three subterritories: a D2R/A2aR-lacking, a D1R/D2R-intermingled and a D1R/D2R-SPNs-enriched area (corresponding to the amygdalostriatal transition). In addition, we provide evidence that the distribution of D1R- and D2R-SPNs in the TS is evolutionarily conserved (mouse, rat, gerbil). The in vivo analysis of extracellular signal–regulated kinase (ERK) phosphorylation in these TS subterritories in response to distinct appetitive, aversive and pharmacological stimuli revealed that SPNs of the TS are not recruited by stimuli triggering innate aversive responses, fasting, satiety or palatable signals whereas a reduction in ERK phosphorylation occurred following learned avoidance. In contrast, D1R-SPNs of the intermingled and D2R/A2aR-lacking areas were strongly activated by both D1R agonists and psychostimulant drugs (d-amphetamine, cocaine, MDMA or methylphenidate), but not by hallucinogens. Finally, a similar pattern of ERK activation was observed by blocking selectively dopamine reuptake. Together, our results reveal that the caudal TS might participate in the processing of specific reward signals and discrete aversive stimuli.Abbreviations serotonin (5-HT), adenosine A2a receptor (A2aR), A-kinase activity reporter 3 (AKAR3), amygdalostriatal transition area (AST), cyclic adenosine monophosphate (cAMP), dopamine D1 receptor (D1R), dopamine D2 receptor (D2R), dopamine (DA), dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein Mr 32 kDa (DARPP-32), dopamine transporter (DAT), 2,5-dimethoxy-4-iodoamphetamine (DOI), dorsal striatum (DS), enhanced green fluorescence protein (eGFP), extracellular signal-regulated kinase (ERK), high-fat high sugar (HFHS), lateral geniculate nucleus of the thalamus (LGN), medial geniculate nucleus of the thalamus (MGN), 3,4-methylenedioxy methamphetamine (MDMA), norepinephrine (NE), norepinephrine transporter (NET), phencyclidine (PCP), phosphodiesterase type 4 (PDE4), phosphodiesterase type 10 (PDE10A), protein kinase A (PKA), pentylenetetrazole (PTZ), rostral part of the dorsal striatum (rDS), red fluorescent protein (RFP), Research Resource Identifier (RRID), serotonin transporter (SERT), striatal projection neurons (SPNs), substantia nigra pars compacta (SNc), 2,3,5-Trimethyl-3-thiazoline (TMT), tail of the striatum (TS), vesicular glutamate transporter type 2 (VGLUT2), ventral posterior nucleus (VPN).

Understanding the mechanisms driving lineage-specific evolution in both primates and rodents has been hindered by the lack of sister clades with a similar phylogenetic structure having high-quality genome assemblies. Here, we have created chromosome-level assemblies of the Mus caroli and Mus pahari genomes. Together with the Mus musculus and Rattus norvegicus genomes, this set of rodent genomes is similar in divergence times to the Hominidae (human-chimpanzee-gorilla-orangutan). By comparing the evolutionary dynamics between the Muridae and Hominidae, we identified punctate events of chromosome reshuffling that shaped the ancestral karyotype of Mus musculus and Mus caroli between 3 to 6 MYA, but that are absent in the Hominidae. In fact, Hominidae show between four- and seven-fold lower rates of nucleotide change and feature turnover in both neutral and functional sequences suggesting an underlying coherence to the Muridae acceleration. Our system of matched, high-quality genome assemblies revealed how specific classes of repeats can play lineage-specific roles in related species. For example, recent LINE activity has remodeled protein-coding loci to a greater extent across the Muridae than the Hominidae, with functional consequences at the species level such as reproductive isolation. Furthermore, we charted a Muridae-specific retrotransposon expansion at unprecedented resolution, revealing how a single nucleotide mutation transformed a specific SINE element into an active CTCF binding site carrier specifically in Mus caroli. This process resulted in thousands of novel, species-specific CTCF binding sites. Our results demonstrate that the comparison of matched phylogenetic sets of genomes will be an increasingly powerful strategy for understanding mammalian biology.