Gorillas are humans’ closest living relatives after chimpanzees, and are of comparable importance for the study of human origins and evolution. Here we present the assembly and analysis of a genome sequence for the western lowland gorilla, and compare the whole genomes of all extant great ape genera. We propose a synthesis of genetic and fossil evidence consistent with placing the human–chimpanzee and human–chimpanzee–gorilla speciation events at approximately 6 and 10 million years ago. In 30% of the genome, gorilla is closer to human or chimpanzee than the latter are to each other; this is rarer around coding genes, indicating pervasive selection throughout great ape evolution, and has functional consequences in gene expression. A comparison of protein coding genes reveals approximately 500 genes showing accelerated evolution on each of the gorilla, human and chimpanzee lineages, and evidence for parallel acceleration, particularly of genes involved in hearing. We also compare the western and eastern gorilla species, estimating an average sequence divergence time 1.75 million years ago, but with evidence for more recent genetic exchange and a population bottleneck in the eastern species. The use of the genome sequence in these and future analyses will promote a deeper understanding of great ape biology and evolution. The genome of a western lowland gorilla has been sequenced and analysed, completing the genome sequences of all great ape genera, and providing evidence for parallel accelerated evolution in chimpanzee, gorilla and human lineages at a number of loci. The genome of the gorilla has been sequenced, making it possible to compare the DNA of the four surviving hominid genera: human, chimpanzee, gorilla and orang-utan. The data — mainly from a female western lowland gorilla named Kamilah, but also from other gorillas representing both the western lowland and eastern lowland sub-species — imply that in almost one-third of its genome, the gorilla is closer to the human or chimpanzee than the human and chimp are to each other. Around 500 genes show accelerated evolution in gorilla, human and chimpanzee lineages, and there is evidence for parallel acceleration, particularly in genes associated with hearing. On the basis of genetic and fossil evidence, the authors suggest that the human–chimpanzee and human–chimpanzee–gorilla speciation events occurred at around 6 million and 10 million years ago respectively, whereas the two gorilla species diverged around 1.75 million years ago.

Gibbons are small arboreal apes that display an accelerated rate of evolutionary chromosomal rearrangement and occupy a key node in the primate phylogeny between Old World monkeys and great apes. Here we present the assembly and analysis of a northern white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys) genome. We describe the propensity for a gibbon-specific retrotransposon (LAVA) to insert into chromosome segregation genes and alter transcription by providing a premature termination site, suggesting a possible molecular mechanism for the genome plasticity of the gibbon lineage. We further show that the gibbon genera (Nomascus, Hylobates, Hoolock and Symphalangus) experienced a near-instantaneous radiation ∼5 million years ago, coincident with major geographical changes in southeast Asia that caused cycles of habitat compression and expansion. Finally, we identify signatures of positive selection in genes important for forelimb development (TBX5) and connective tissues (COL1A1) that may have been involved in the adaptation of gibbons to their arboreal habitat. The genome of the gibbon, a tree-dwelling ape from Asia positioned between Old World monkeys and the great apes, is presented, providing insights into the evolutionary history of gibbon species and their accelerated karyotypes, as well as evidence for selection of genes such as those for forelimb development and connective tissue that may be important for locomotion through trees. The many species of gibbons are small, tree-living apes from Southeast Asia, most of them listed as 'endangered' or 'critically endangered' on the IUCN list. In their presentation of the genome of the northern white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys) , Lucia Carbone and colleagues provide intriguing insights into the biology and evolutionary history of a group that straddles the divide between Old World monkeys and the great apes. The authors investigate how a novel gibbon-specific retrotransposon might be the source of gibbons' genome plasticity. Rapid karyotype evolution combined with multiple episodes of climate and environmental change might explain the almost instantaneous divergence of the four gibbon genera. Positive selection on genes involved in forelimb development and connective tissue might have been related to gibbons' unique mode of locomotion in the tropical canopy.

Abstract Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are an essential tool for studying cellular differentiation and cell types that are otherwise difficult to access. We investigated the use of iPSCs and iPSC-derived cells to study the impact of genetic variation across different cell types and as models for studies of complex disease. We established a panel of iPSCs from 58 well-studied Yoruba lymphoblastoid cell lines (LCLs); 14 of these lines were further differentiated into cardiomyocytes. We characterized regulatory variation across individuals and cell types by measuring gene expression, chromatin accessibility and DNA methylation. Regulatory variation between individuals is lower in iPSCs than in the differentiated cell types, consistent with the intuition that developmental processes are generally canalized. While most cell type-specific regulatory quantitative trait loci (QTLs) lie in chromatin that is open only in the affected cell types, we found that 20% of cell type-specific QTLs are in shared open chromatin. Finally, we developed a deep neural network to predict open chromatin regions from DNA sequence alone and were able to use the sequences of segregating haplotypes to predict the effects of common SNPs on cell type-specific chromatin accessibility.

Abstract Genetic effects on gene expression and splicing can be modulated by cellular and environmental factors; yet interactions between genotypes, cell type and treatment have not been comprehensively studied together. We used an induced pluripotent stem cell system to study multiple cell types derived from the same individuals and exposed them to a large panel of treatments. Cellular responses involved different genes and pathways for gene expression and splicing processes, and were also highly variable across cell types and treatments. For thousands of genes, we identified variable allelic expression across contexts, and characterized different types of gene-environment interactions. Many of these G×E genes are associated with complex traits. We characterized promoter functional and evolutionary features that distinguish genes with elevated allelic imbalance mean and variance. More than 47% of the genes with dynamic regulatory interactions were missed by GTEx, but we identified them using a suitable allelic imbalance study design. This indicates the importance of exploring multiple treatments to reveal previously unrecognized regulatory loci that may be important for disease.

Transposable elements (TEs) comprise a substantial proportion of primate genomes. The regulatory potential of TEs can result in deleterious effects, especially during development. It has been suggested that, in pluripotent stem cells, TEs are targeted for silencing by KRAB-ZNF proteins, which recruit the TRIM28-SETDB1 complex, to deposit the repressive histone modification H3K9me3. TEs, in turn, can acquire mutations that allow them to evade detection by the host, and hence KRAB-ZNF proteins need to rapidly evolve to counteract them. To investigate the short-term evolution of TE silencing, we profiled the genome-wide distribution of H3K9me3 in induced pluripotent stem cells from ten human and seven chimpanzee individuals. We performed chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing (ChIP-seq) for H3K9me3, as well as total RNA sequencing. We focused specifically on cross-species H3K9me3 ChIP-seq data that mapped to four million orthologous TEs. We found that, depending on the TE class, 10-60% of elements are marked by H3K9me3, with SVA, LTR and LINE elements marked most frequently. We found little evidence of inter-species differences in TE silencing, with as many as 80% of orthologous, putatively silenced, TEs marked at similar levels in humans and chimpanzees. Our data suggest limited species-specificity of TE silencing across six million years of primate evolution. Interestingly, the minority of TEs enriched for H3K9me3 in one species are not more likely to be associated with gene expression divergence of nearby orthologous genes. We conclude that orthologous TEs may not play a major role in driving gene regulatory divergence between humans and chimpanzees.

Non-genetic variability in human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines impacts their differentiation outcome, limiting their utility for genetic studies and clinical applications. Despite the importance of understanding how non-genetic molecular variability influences iPSC differentiation outcome, large-scale studies capable of addressing this question have not yet been conducted. Here, we performed 258 directed differentiations of 191 iPSC lines using established protocols to generate iPSC-derived cardiovascular progenitor cells (iPSC-CVPCs). We observed cellular heterogeneity across the iPSC-CVPC samples due to varying fractions of two cell types: cardiomyocytes (CMs) and epicardium-derived cells (EPDCs). Analyzing the transcriptomes of CM-fated and EPDC-fated iPSCs discovered that 91 signature genes and X chromosome dosage differences influence WNT inhibition response during differentiation and are associated with cardiac fate. Analysis of an independent set of 39 iPSCs differentiated to the cardiac lineage confirmed shared sex and transcriptional differences that impact cardiac fate outcome. The scale and systematic approach of our study enabled novel insights into how iPSC transcriptional and X chromosome gene dosage differences influence WNT signaling during differentiation and hence cardiac cell fate.

Summary Cardiovascular disease (CVD) is associated with both genetic variants and environmental factors. One unifying consequence of the molecular risk factors in CVD is DNA damage, which must be repaired by DNA damage response proteins. However, the impact of DNA damage on global cardiomyocyte protein abundance, and its relationship to CVD risk remains unclear. We therefore treated induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes with the DNA-damaging agent Doxorubicin (DOX) and a vehicle control, and identified 4,178 proteins that contribute to a network comprising 12 co-expressed modules and 403 hub proteins with high intramodular connectivity. Five modules correlate with DOX and represent distinct biological processes including RNA processing, chromatin regulation and metabolism. DOX-correlated hub proteins are depleted for proteins that vary in expression across individuals due to genetic variation but are enriched for proteins encoded by loss-of-function intolerant genes. While proteins associated with genetic risk for CVD, such as arrhythmia are enriched in specific DOX-correlated modules, DOX-correlated hub proteins are not enriched for known CVD risk proteins. Instead, they are enriched among proteins that physically interact with CVD risk proteins. Our data demonstrate that DNA damage in cardiomyocytes induces diverse effects on biological processes through protein co-expression modules that are relevant for CVD, and that the level of protein connectivity in DNA damage-associated modules influences the tolerance to genetic variation.

Abstract TOP2 inhibitors (TOP2i) are effective drugs for breast cancer treatment. However, they can cause cardiotoxicity in some women. The most widely used TOP2i include anthracyclines (AC) Doxorubicin (DOX), Daunorubicin (DNR), Epirubicin (EPI), and the anthraquinone Mitoxantrone (MTX). It is unclear whether women would experience the same adverse effects from all drugs in this class, or if specific drugs would be preferable for certain individuals based on their cardiotoxicity risk profile. To investigate this, we studied the effects of treatment of DOX, DNR, EPI, MTX, and an unrelated monoclonal antibody Trastuzumab (TRZ) on iPSC-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) from six healthy females. All TOP2i induce cell death at concentrations observed in cancer patient serum, while TRZ does not. A sub-lethal dose of all TOP2i induces limited cellular stress but affects calcium handling, a function critical for cardiomyocyte contraction. TOP2i induce thousands of gene expression changes over time, giving rise to four distinct gene expression response signatures, denoted as TOP2i early-acute, early-sustained, and late response genes, and non-response genes. TOP2i early response genes are enriched in chromatin regulators, which mediate AC sensitivity across breast cancer patients. However, there is increased transcriptional variability between individuals following AC treatments. To investigate potential genetic effects on response variability, we first identified a reported set of expression quantitative trait loci (eQTLs) uncovered following DOX treatment in iPSC-CMs. Indeed, DOX response eQTLs are enriched in genes that respond to all TOP2i. Next, we identified eight genes in loci associated with AC toxicity by GWAS or TWAS. All eight genes, including RARG and SLC28A3, respond to at least two ACs, and their expression correlates with the release of cardiotoxicity markers. Our data demonstrate that TOP2i induce thousands of shared gene expression changes in cardiomyocytes, including genes near SNPs associated with inter-individual variation in response to DOX treatment and AC-induced cardiotoxicity. Author summary Anthracycline drugs such as Doxorubicin are effective treatments for breast cancer; however, they can cause cardiotoxicity in some women. It is unclear whether women would experience the same toxicity for all drugs in this class, or whether specific drugs would be better tolerated in specific individuals. We used an in vitro system of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes from six healthy females to test the effects of five breast cancer drugs on cell heath and global gene expression. We identified a strong shared cellular and gene expression response to drugs from the same class. However, there is more variation in gene expression levels between individuals following treatment with each anthracycline compared to untreated cells. We found that genes in regions previously associated with Doxorubicin-induced cardiotoxicity in cancer patients, respond to at least two drugs in the class. This suggests that drugs in the same class induce similar effects on an individual’s heart. This work contributes to our understanding of how drug response, in the context of off-target effects, varies across individuals.

Despite anatomical similarities, there appear to be differences in susceptibility to cardiovascular disease between primates. For example, humans are prone to ischemia-induced myocardial infarction unlike chimpanzees, which tend to suffer from fibrotic disease. However, it is challenging to determine the relative contributions of genetic and environmental effects to complex disease phenotypes within and between primates. The ability to differentiate cardiomyocytes from induced pluripotent stem cells (iPSCs), now allows for direct inter-species comparisons of the gene regulatory response to disease-relevant perturbations. A consequence of ischemia is oxygen deprivation. Therefore, in order to understand human-specific regulatory adaptations in the heart, and to potentially gain insight into the evolution of disease susceptibility and resistance, we developed a model of hypoxia in human and chimpanzee cardiomyocytes. We differentiated eight human and seven chimpanzee iPSC lines into cardiomyocytes under normoxic conditions, and subjected these cells to 6 hours of hypoxia, followed by 6 or 24 hours of re-oxygenation. We collected genome-wide gene expression data as well as measurements of cellular stress at each time-point. The overall cellular and transcriptional response to hypoxic stress is generally conserved across species. Supporting the functional importance of precise regulatory response to hypoxia, we found that genes that respond to hypoxic stress in both species are depleted for association with expression quantitative trait loci (eQTLs) in the heart, and cardiovascular-related genes. We also identified hundereds of inter-species regulatory differences in our study. In particular, RASD1, which is associated with coronary artery disease, is up-regulated specifically in humans following hypoxia.

One life-threatening outcome of cardiovascular disease is myocardial infarction, where cardiomyocytes are deprived of oxygen. To study inter-individual differences in response to hypoxia, we established an in vitro model of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes from 15 individuals. We measured gene expression levels, chromatin accessibility, and methylation levels in four culturing conditions that correspond to normoxia, hypoxia and short or long-term re-oxygenation. We characterized thousands of gene regulatory changes as the cells transition between conditions. Using available genotypes, we identified 1,573 genes with a cis expression quantitative locus (eQTL) in at least one condition, as well as 367 dynamic eQTLs, which are classified as eQTLs in at least one, but not in all conditions. A subset of genes with dynamic eQTLs is associated with complex traits and disease. Our data demonstrate how dynamic genetic effects on gene expression, which are likely relevant for disease, can be uncovered under stress.