Although eusociality evolved independently within several orders of insects, research into the molecular underpinnings of the transition towards social complexity has been confined primarily to Hymenoptera (for example, ants and bees). Here we sequence the genome and stage-specific transcriptomes of the dampwood termite Zootermopsis nevadensis (Blattodea) and compare them with similar data for eusocial Hymenoptera, to better identify commonalities and differences in achieving this significant transition. We show an expansion of genes related to male fertility, with upregulated gene expression in male reproductive individuals reflecting the profound differences in mating biology relative to the Hymenoptera. For several chemoreceptor families, we show divergent numbers of genes, which may correspond to the more claustral lifestyle of these termites. We also show similarities in the number and expression of genes related to caste determination mechanisms. Finally, patterns of DNA methylation and alternative splicing support a hypothesized epigenetic regulation of caste differentiation. Although termites are major human pests, they have an important role in maintaining ecosystem function and biodiversity. Here, the authors sequence the genome and transcriptomes of a dampwood termite and highlight genes that may be involved in the mechanisms underlying insect social behaviour.

For bees, many roads lead to social harmony Eusociality, where workers sacrifice their reproductive rights to support the colony, has evolved repeatedly and represents the most evolved form of social evolution in insects. Kapheim et al. looked across the genomes of 10 bee species with varying degrees of sociality to determine the underlying genomic contributions. No one genomic path led to eusociality, but similarities across genomes were seen in features such as increases in gene regulation and methylation. It also seems that selection pressures relaxed after the emergence of complex sociality. Science , this issue p. 1139

Abstract Background Arthropods comprise the largest and most diverse phylum on Earth and play vital roles in nearly every ecosystem. Their diversity stems in part from variations on a conserved body plan, resulting from and recorded in adaptive changes in the genome. Dissection of the genomic record of sequence change enables broad questions regarding genome evolution to be addressed, even across hyper-diverse taxa within arthropods. Results Using 76 whole genome sequences representing 21 orders spanning more than 500 million years of arthropod evolution, we document changes in gene and protein domain content and provide temporal and phylogenetic context for interpreting these innovations. We identify many novel gene families that arose early in the evolution of arthropods and during the diversification of insects into modern orders. We reveal unexpected variation in patterns of DNA methylation across arthropods and examples of gene family and protein domain evolution coincident with the appearance of notable phenotypic and physiological adaptations such as flight, metamorphosis, sociality and chemoperception. Conclusions These analyses demonstrate how large-scale comparative genomics can provide broad new insights into the genotype to phenotype map and generate testable hypotheses about the evolution of animal diversity.

Abstract SARS-CoV-2 emerged in China at the end of 2019 and caused the global pandemic of COVID-19, a disease with high morbidity and mortality. While our understanding of this new virus is rapidly increasing, gaps remain in our understanding of how SARS-CoV-2 can effectively suppress host cell antiviral responses. Recent work on other viruses has demonstrated a novel mechanism through which viral proteins can mimic critical regions of human histone proteins. Histone proteins are responsible for governing genome accessibility and their precise regulation is critical for a cell’s ability to control transcription and respond to viral threats. Here, we show that the protein encoded by ORF8 (Orf8) in SARS-CoV-2 functions as a histone mimic of the ARKS motif in histone 3. Orf8 is associated with chromatin, binds to numerous histone-associated proteins, and is itself acetylated within the histone mimic site. Orf8 expression in cells disrupts multiple critical histone post-translational modifications (PTMs) including H3K9ac, H3K9me3, and H3K27me3 and promotes chromatin compaction while Orf8 lacking the histone mimic motif does not. Further, SARS-CoV-2 infection in human cell lines and postmortem patient lung tissue cause these same disruptions to chromatin. However, deletion of the Orf8 gene from SARS-CoV-2 largely blocks its ability to disrupt host-cell chromatin indicating that Orf8 is responsible for these effects. Finally, deletion of the ORF8 gene affects the host-cell transcriptional response to SARS-CoV-2 infection in multiple cell types and decreases the replication of SARS-CoV-2 in human induced pluripotent stem cell-derived lung alveolar type 2 (iAT2) pulmonary cells. These findings demonstrate a novel function for the poorly understood ORF8-encoded protein and a mechanism through which SARS-CoV-2 disrupts host cell epigenetic regulation. Finally, this work provides a molecular basis for the finding that SARS-CoV-2 lacking ORF8 is associated with decreased severity of COVID-19.

Abstract Here we reveal an unanticipated role of the blood-brain-barrier (BBB) in regulating complex social behavior in ants. Using scRNA-seq we find localization in the BBB of a key hormone-degrading enzyme called Juvenile hormone esterase (Jhe), and we show that this localization governs the level of Juvenile Hormone (JH3) entering the brain. Manipulation of the Jhe level reprograms the brain transcriptome between ant castes. While ant Jhe is retained and functions intracellularly within the BBB, we show that Drosophila Jhe is naturally extracellular. Heterologous expression of ant Jhe into the Drosophila BBB alters behavior in fly to mimic what is seen in ant. Most strikingly, manipulation of Jhe levels in ant reprograms complex behavior between worker castes. Our study thus uncovers a novel, potentially conserved role of the BBB serving as a molecular gatekeeper for a neurohormonal pathway that regulates social behavior.

Metabolic control of chromatin and gene expression is emerging as a key, but largely unexplored aspect of gene regulation. In the brain, metabolic-epigenetic interactions can influence critical neuronal functions. Here, we use a combination of behavioral, proteomic and genomic approaches to demonstrate that the intermediary metabolite acetate enhances memory in a brain region- and sex-specific manner. We show that acetate facilitates the formation of dorsal hippocampus-dependent spatial memories in female but not in male mice, while having no effect on cortex-dependent non-spatial memories in either sex. Acetate-enhanced spatial memory is driven by increased acetylation of histone variant H2A.Z, and upregulation of genes implicated in spatial learning in the dorsal hippocampus of female mice. In line with the sex-specific behavioral outcomes, the effect of acetate on dorsal hippocampal histone modifications and gene expression shows marked differences between the sexes during critical windows of memory formation (consolidation and recall). Overall, our findings elucidate a novel role for acetate, a ubiquitous and abundant metabolite, in regulating dorsal hippocampal chromatin, gene expression and learning, and outline acetate exposure as a promising new approach to enhance memory formation.

Abstract Among eusocial insects, reproductive females show longer lifespan than non-reproductive female workers despite high genetic similarity. Using an ant species ( Harpegnathos saltator, Hsal ) featuring inducible worker reproduction and correlated extended lifespan, we find that long-lived reproductive individuals (called “gamergates”) show elevated expression of heat shock response (HSR) genes specifically in the absence of heat stress. This HSR gene elevation is driven in part by gamergate-specific constitutive upregulation of a heat shock transcription factor gene most similar to mammalian HSF2 (called hsal HSF2). In sterile workers hsal HSF2 is bound to DNA only upon heat stress, but in gamergates hsal HSF2 binds to DNA in the absence of heat stress, and correlates with caste-biased gene expression of a subset of heat-inducible genes, thus showing natural bias to gamergates. Remarkably, ectopic expression in D. melanogaster of hsal HSF2 leads to enhanced survival compared to hsal HSF1 following heat stress, as well as extended lifespan. Molecular characterization of these longer-lived flies illustrates multiple parallels between long-lived flies and gamergates, underscoring the centrality of hsal HSF2 to extended lifespan in gamergates. Hence, ant caste-specific heat stress resilience and excessive longevity is, remarkably, transferrable to flies via a specialized ant heat shock factor, HSF2. These findings reinforce the critical role of proteostasis to health and to aging, and reveal novel mechanisms underlying facultative lifespan extension.

Healthy brain aging is of crucial societal importance; however, the mechanisms that regulate it are largely unknown. Social insects are an outstanding model to study the impact of environment and epigenetics on brain function and aging because workers and queens arise from the same genome but display profound differences in behavior and longevity. In Harpegnathos saltator ants, adult workers can transition to a queen-like phenotypic state called gamergate. This caste transition results in reprogramming of social behavior and lifespan extension. Whether these changes in brain function and physiology cause brain remodeling at the cellular level is not known. Using single-cell RNA-sequencing of Harpegnathos brains undergoing caste transition, we uncovered shifts in neuronal and glial populations. In particular, the conversion of workers into long-lived gamergates caused the expansion of ensheathing glia, which maintain brain health by phagocytosing damaged neuronal structures. These glia cells were lost during aging in normal workers but not in longer-lived gamergates. We observed similar caste- and age-associated differences in ensheathing glia in other Hymenoptera as well as Drosophila melanogaster. We propose that enhanced glia-based neuroprotection promotes healthy brain aging and contributes to the extended lifespan of the reproductive caste in social insects.