Abstract Males in the parasitoid wasp genus Nasonia ( N. vitripennis, N. giraulti, N. longicornis ) have distinct, species specific, head shapes. Fertile hybrids among the species are readily produced in the lab allowing genetic analysis of the evolved differences. In addition, the obligate haploidy of males makes these wasps a uniquely powerful model for analyzing the role of complex gene interactions in development and evolution. Previous analyses have shown that complex gene interactions underpin different aspects of the shape differences, and developmental incompatibilities that are specific to the head in F2 haploid hybrid males are also governed by networks of gene interaction. Here we use the genetic tools available in Nasonia to extend our understanding of the gene interactions that affect development and morphogenesis in male heads. Using artificial diploid male hybrids, we show that alleles affecting head shape are codominant, leading to uniform, averaged hybrid F1 diploid male heads, while the alleles mediating developmental defects are recessive, and are not visible in the diploid hybrids. We also determine that divergence in time, rather than in morphological disparity is the primary driver of hybrid developmental defects. In addition, we show that doublesex is necessary for the male head shape differences, but is not the only important factor. Finally we demonstrate that we can dissect complex interspecies gene interaction networks using introgression in this system. These advances represent significant progress in the complex web of gene interactions that govern morphological development, and chart the connections between genomic and phenotypic variation.

Abstract Gene body methylation (GBM) is an ancestral aspect of DNA methylation (Sarda, Zeng, Hunt, & Yi, 2012; Yi, 2012; Zemach, McDaniel, Silva, & Zilberman, 2010) whose role in development has been obscured by the more prominent roles of promoter and CpG island methylation. The wasp Nasonia has little promoter and CpG island methylation, yet retains strong GBM (Park et al., 2011; Wang et al., 2013; Werren et al., 2010), making it an excellent model for elucidating the role of GBM. Here we show that Nasonia DNA methyl transferase 1a (Nv-Dnmt1a) knockdown leads to failures in cellularization and gastrulation of the embryo. Both of these disrupted events are hallmarks of the maternal-zygotic transition (MZT) in insects. Analysis of the embryonic transcriptome and methylome revealed strong reduction of GBM and widespread disruption of gene expression during embryogenesis after Nv-Dnmt1a knockdown. There was a strong correlation between loss of GBM and reduced gene expression in thousands of methylated loci, while affected unmethylated genes tended to be upregulated. We propose that reduced GBM and subsequent lower expression levels of methylated genes was the direct effect of Nv-Dnmt1 knockdown, and that this disruption led to widespread downstream dysregulation of MZT, and manifesting in developmental failure at gastrulation. Significance Statement The importance of gene-body methylation (GBM) in development is unclear, due to the difficulty in teasing apart the effects of cis-regulatory methylation from those of GBM in vertebrate model systems. Unlike vertebrate models, the methylation machinery in the jewel wasp Nasonia vitripennis appears to exclusively mediate GBM, thus simplifying interpretation of the role of GBM in development. Knockdown of DNMT1 (Nv-Dnmt1a) in Nasonia leads to embryonic lethality, which we show is caused by a failure of cellularization and gastrulation. Nv-Dnmt1a knockdown resulted in a global loss of GBM in the embryo, which was strongly correlated with a down-regulation of gene expression. We propose that GBM facilitated by Nv-Dnmt1a is required for proper zygotic genome activation in the wasp.

Abstract Recent studies have established that de novo genes, evolving from non-coding sequences, enhance protein diversity through a stepwise process. However, the pattern and rate of their structural evolution over time remain unclear. Here, we addressed these issues within a short evolutionary timeframe (∼1 million years for 97% of rice de novo genes). We found that de novo genes evolve faster than gene duplicates in the intrinsic disordered regions (IDRs, such as random coils), secondary structural elements (such as α-helix and β-strand), hydrophobicity, and molecular recognition features (MoRFs). Specifically, we observed an 8-14% decay in random coils and IDR lengths per million years per protein, and a 2.3-6.5% increase in structured elements, hydrophobicity, and MoRFs. These patterns of structural evolution align with changes in amino acid composition over time. We also revealed significantly higher positive charges but smaller molecular weights for de novo proteins than duplicates. Tertiary structure predictions demonstrated that most de novo proteins, though not typically well-folded on their own, readily form low-energy and compact complexes with extensive residue contacts and conformational flexibility, suggesting “a faster-binding” scenario in de novo proteins to promote interaction. Our findings illuminate the rapid evolution of protein structure in the early life of de novo proteins in rice genome, originating from noncoding sequences, highlighting their quick transformation into active, complex-forming components within a remarkably short evolutionary timeframe.

Abstract Previous studies described gene age distributions in the focal species of Drosophila melanogaster . Using third-generation PacBio technology to sequence Drosophila species we investigated gene age distribution in the two subgenera of Drosophila . Our work resulted in several discoveries. First, our data detected abundant new genes in entire Drosophila genus. Second, in analysis of subcellular expression, we found that new genes tend to secret into extracellular matrix and are involved in regulation, environmental adaption, and reproductive functions. We also found that extracellular localization for new genes provides a possible environment to promote their fast evolution. Third, old genes tend to be enriched in mitochondrion and the plasma membrane compared with young genes which may support the endosymbiotic theory that mitochondria originate from bacteria that once lived in primitive eukaryotic cells. Fourth, as gene age becomes older the subcellular compartments in which their products reside broadens suggesting that the evolution of new genes in subcellular location drives functional evolution and diversity in Drosophila species. Additionally, based on the analysis of RNA-Seq of two D. melanogaster populations, we determined a universal paradigm of “from specific to constitutive” expression pattern during the evolutionary process of new genes.

ABSTRACT In efforts to explain how duplicate gene copies may rise to fixation in a population, previous models of new gene origination have underappreciated the importance of the 3D genome in this process. We show that proximity-based regulatory recruitment in distally duplicated genes, i.e. enhancer capture, is an efficient mechanism for accommodation of new selective conditions. By performing a co-expression analysis on D. melanogaster tissue data and comparing essential to non-essential genes that have newly evolved, we show that enhancer capture is a significant driver of new gene evolution in distally duplicated genes. The new essential gene, HP6/Umbrea, is used as a model for understanding enhancer capture, as it evolved via a full duplication of the parental gene, its subsequent protein evolution is known, and it duplicated into a gene-poor region of the genome. HP6/Umbrea’s expression pattern divergence from its parental gene, HP1b, as well as its high co-expression with neighboring genes suggest that it evolved via enhancer capture. ChIP-Seq data shows the presence of active enhancer marks appearing near HP6/Umbrea coinciding with onset of its expression which likely regulates HP6/Umbrea, its neighboring gene, as well as a distally located 6-gene cluster also found co-express with HP6/Umbrea. We find that these three loci, the putative enhancer, HP6/Umbrea, and the 6-gene cluster are in close physical proximity in the 3-D genome of D. melanogaster . Finally, we compare Hi-C data from two species with HP6/Umbrea, D. melanogaster and D. yakuba , to two species pre-dating HP6/Umbrea’s insertion, D. pseudoobscura and D. miranda , showing that co-regulation of these same elements is the ancestral state and thus that HP6/Umbrea evolved via enhancer capture. SIGNIFICANCE STATEMENT Comprehensive analyses of new gene evolution across many clades have shown that the vast majority of new genes evolve via duplication-based methods, even in species with large population sizes. A few models have offered explanations for this seemingly paradoxical behavior, with the most commonly accepted ones being the duplication-divergence-complementation (DDC), escape-from-adaptive-conflict (EAC), and innovation-amplification-divergence (IAD) models. In this manuscript, we propose the enhancer-capture-divergence model of new duplicate gene evolution, where the rapid recombination of pre-existing protein-coding and regulatory elements offers the most efficient and evolvable path for modulating the protein production of an older gene. Subsequent to the fixation of this new variant, selection pressures are relaxed, e.g. through an environmental shift or the appearance of compensatory mutations elsewhere in the genome, allowing the new gene copy to begin to diverge in protein function. We provide genome-wide evidence for the enhancer-capture-divergence model using knock-down and expression data in D. melanogaster , while identifying the new essential gene HP6/Umbrea, a paralog of HP1b, as a model gene candidate for enhancer-capture-divergence.

New genes (or young genes) are structural novelties pivotal in mammalian evolution. Their phenotypic impact on humans, however, remains elusive due to the technical and ethical complexities in functional studies. Through combining gene age dating with Mendelian disease phenotyping, our research reveals that new genes associated with disease phenotypes steadily integrate into the human genome at a rate of ~0.07% every million years over macro-evolutionary timescales. Despite this stable pace, we observe distinct patterns in phenotypic enrichment, pleiotropy, and selective pressures between young and old genes. Notably, young genes show significant enrichment in the male reproductive system, indicating strong sexual selection. Young genes also exhibit functions in tissues and systems potentially linked to human phenotypic innovations, such as increased brain size, bipedal locomotion, and color vision. Our findings further reveal increasing levels of pleiotropy over evolutionary time, which accompanies stronger selective constraints. We propose a pleiotropy-barrier model that delineates different potentials for phenotypic innovation between young and older genes subject to natural selection. Our study demonstrates that evolutionary new genes are critical in influencing human reproductive evolution and adaptive phenotypic innovations driven by sexual and natural selection, with low pleiotropy as a selective advantage.