The emergence of jawed vertebrates (gnathostomes) from jawless vertebrates was accompanied by major morphological and physiological innovations, such as hinged jaws, paired fins and immunoglobulin-based adaptive immunity. Gnathostomes subsequently diverged into two groups, the cartilaginous fishes and the bony vertebrates. Here we report the whole-genome analysis of a cartilaginous fish, the elephant shark (Callorhinchus milii). We find that the C. milii genome is the slowest evolving of all known vertebrates, including the ‘living fossil’ coelacanth, and features extensive synteny conservation with tetrapod genomes, making it a good model for comparative analyses of gnathostome genomes. Our functional studies suggest that the lack of genes encoding secreted calcium-binding phosphoproteins in cartilaginous fishes explains the absence of bone in their endoskeleton. Furthermore, the adaptive immune system of cartilaginous fishes is unusual: it lacks the canonical CD4 co-receptor and most transcription factors, cytokines and cytokine receptors related to the CD4 lineage, despite the presence of polymorphic major histocompatibility complex class II molecules. It thus presents a new model for understanding the origin of adaptive immunity. Whole-genome analysis of the elephant shark, a cartilaginous fish, shows that it is the slowest evolving of all known vertebrates, lacks critical bone formation genes and has an unusual adaptive immune system. The elephant shark (Callorhinchus milii) is a cartilaginous fish native to the temperate waters off southern Australia and New Zealand, living at depths of 200 to 500 metres and migrating into shallow waters during spring for breeding. The genome sequence is published in this issue of Nature. Comparison with other vertebrate genomes shows that it is the slowest evolving genome of all known vertebrates — coelacanth included. Genome analysis points to an unusual adaptive immune system lacking the CD4 receptor and some associated cytokines, indicating that cartilaginous fishes possess a primordial gnathostome adaptive immune system. Also absent are genes encoding secreted calcium-binding phosphoproteins, in line with the absence of bone in cartilaginous fish.

A complete pre-agricultural European human genome from a ∼7,000-year-old Mesolithic skeleton suggests the existence of a common genomic signature across western and central Eurasia from the Upper Paleolithic to the Mesolithic, and ancestral alleles in several skin pigmentation genes suggest that the light skin of modern Europeans was not yet ubiquitous in Mesolithic times. The emergence of agriculture is thought to have caused many of the evolutionary changes in human physiology evident in the fossil record. Precisely which changes it is hard to say in the absence of a baseline — a record of human physiology just before the advent of farming. We may now have that in the form of a genome of a Mesolithic hunter-gatherer from Spain, described by Carles Lalueza-Fox and colleagues this week. The genes of this male, who lived around 7,000 years ago, had more in common with ancient genomes from Siberia than with other Europeans, suggesting a wide if thinly spread genetic continuity across Eurasia. He would have been lactose intolerant and less able to digest starchy foods than Neolithic farming people, suggesting that these changes came in with agriculture. He would also have had the unusual combination of dark skin and blue eyes, suggesting that in Mesolithic times, the transition to a lighter, more modern European skin tone was incomplete and that changes in eye colour came first. Ancient genomic sequences have started to reveal the origin and the demographic impact of farmers from the Neolithic period spreading into Europe1,2,3. The adoption of farming, stock breeding and sedentary societies during the Neolithic may have resulted in adaptive changes in genes associated with immunity and diet4. However, the limited data available from earlier hunter-gatherers preclude an understanding of the selective processes associated with this crucial transition to agriculture in recent human evolution. Here we sequence an approximately 7,000-year-old Mesolithic skeleton discovered at the La Braña-Arintero site in León, Spain, to retrieve a complete pre-agricultural European human genome. Analysis of this genome in the context of other ancient samples suggests the existence of a common ancient genomic signature across western and central Eurasia from the Upper Paleolithic to the Mesolithic. The La Braña individual carries ancestral alleles in several skin pigmentation genes, suggesting that the light skin of modern Europeans was not yet ubiquitous in Mesolithic times. Moreover, we provide evidence that a significant number of derived, putatively adaptive variants associated with pathogen resistance in modern Europeans were already present in this hunter-gatherer.

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.

Chromosomal architecture is known to influence gene expression, yet its role in controlling cell fate remains poorly understood. Reprogramming of somatic cells into pluripotent stem cells (PSCs) by the transcription factors (TFs) OCT4, SOX2, KLF4 and MYC offers an opportunity to address this question but is severely limited by the low proportion of responding cells. We have recently developed a highly efficient reprogramming protocol that synchronously converts somatic into pluripotent stem cells. Here, we used this system to integrate time-resolved changes in genome topology with gene expression, TF binding and chromatin-state dynamics. The results showed that TFs drive topological genome reorganization at multiple architectural levels, often before changes in gene expression. Removal of locus-specific topological barriers can explain why pluripotency genes are activated sequentially, instead of simultaneously, during reprogramming. Together, our results implicate genome topology as an instructive force for implementing transcriptional programs and cell fate in mammals.

Significance We present highlights of the first complete domestic cat reference genome, to our knowledge. We provide evolutionary assessments of the feline protein-coding genome, population genetic discoveries surrounding domestication, and a resource of domestic cat genetic variants. These analyses span broadly, from carnivore adaptations for hunting behavior to comparative odorant and chemical detection abilities between cats and dogs. We describe how segregating genetic variation in pigmentation phenotypes has reached fixation within a single breed, and also highlight the genomic differences between domestic cats and wildcats. Specifically, the signatures of selection in the domestic cat genome are linked to genes associated with gene knockout models affecting memory, fear-conditioning behavior, and stimulus-reward learning, and potentially point to the processes by which cats became domesticated.

Abstract Breast cancer prognosis and response to endocrine therapy strongly depends on the expression of the estrogen and progesterone receptors (ER and PR, respectively). Although much is known about ER α gene ( ESR1 ) regulation after hormonal stimulation, how it is regulated in hormone-free condition is not fully understood. We used ER-/PR-positive breast cancer cells to investigate the role of PR in ESR1 regulation in the absence of hormones. We show that PR binds to the low-methylated ESR1 promoter and maintains both gene expression and DNA methylation of the ESR1 locus in hormone-deprived breast cancer cells. Depletion of PR reduces ESR1 expression, with a concomitant increase in gene promoter methylation. The high amount of methylation in the ESR1 promoter of PR-depleted cells persists after the stable re-expression of PR and inhibits PR binding to this genomic region. As a consequence, the rescue of PR expression in PR-depleted cells is insufficient to restore ESR1 expression. Consistently, DNA methylation impedes PR binding to consensus progesterone responsive elements. These findings contribute to understanding the complex crosstalk between PR and ER and suggest that the analysis of ESR1 promoter methylation in breast cancer cells can help to design more appropriate targeted therapies for breast cancer patients.

Abstract T47D_rep2 and b1913e6c1_51720e9cf were two Hi-C samples. They were born and processed at the same time, yet their fates were very different. The life of b1913e6c1_51720e9cf was simple and fruitful, while that of T47D_rep2 was full of accidents and sorrow. At the heart of these differences lies the fact that b1913e6c1_51720e9cf was born under a lab culture of Documentation, Automation, Traceability, Autonomy and compliance with the FAIR Principles. Their lives are a lesson for those who wish to embark on the journey of managing high throughput sequencing data.

The post-translational modification of key residues at the carboxy-terminal domain of RNA polymerase II (RNAP2-CTD), coordinates transcription, splicing, and RNA processing by modulating its capacity to act as a landing platform for a variety of protein complexes. Here, we identify a new modification at the CTD, the deimination of arginine and its conversion to citrulline by peptidyl arginine deiminase 2 (PADI2), an enzyme that has been associated with several diseases including cancer. We show that among PADI family members, only PADI2 citrullinates R1810 (Cit1810) at repeat 31 of the CTD. Depletion of PADI2 or loss of R1810 result in accumulation of RNAP2 at transcription start sites, reduced gene expression and inhibition of cell proliferation. Cit1810 is needed for interaction with the P-TEFb (positive transcription elongation factor b) kinase complex and for its recruitment to chromatin. In this way, CTD-Cit1810 favors RNAP2 pause release and efficient transcription in breast cancer cells.

In breast cancer cells, topologically associating domains (TADs) behave as units of hormonal gene regulation with transcripts within hormone responsive TADs changing coordinately their expression in response to steroid hormones. Here we further described that responsive TADs contain 20-100 kb-long clusters of intermingled estrogen receptor (ER) and progesterone receptor (PR) binding sites, hereafter called Hormone-Control Regions (HCRs). We identified more than 200 HCRs, which are frequently bound by ER and PR even in the absence of hormones. These HCRs establish steady long-distance inter-TAD interactions between them and organize characteristic looping structures with promoters even in the absence of hormones. This organization is dependent on the expression of the receptors and is further dynamically modulated in response to steroid hormones. HCRs function as platforms integrating different signals resulting in some cases in opposite transcriptional responses to estrogens or progestins. Altogether, these results suggest that steroid hormone receptors act not only as hormone-regulated sequence-specific transcription factors, but also as local and global genome organizers.

Abstract CRAM is an efficient format to store high-throughput sequencing data and it has been widely adopted. We thus plan to use CRAM for the Emirati Genome Program, which aims to sequence the genomes of ~1 million nationals in the United Arab Emirates using short- and long-read sequencing technologies (Illumina, MGI and Oxford Nanopore Sequencing). We conducted a pilot study on the three technologies before start using CRAM at scale. We found CRAM achieved 40–70% compression depending on the sequencing platform. As expected, CRAM compression was data lossless and did not alter variant calls. In our cloud, we observed compression speeds 0.7–1.4 GB per minute, varying on the sequencing platform too. This translates into ~1–2 hours using a single CPU to compress a ~30X human whole-genome sequencing sample. Despite its wide use, we found little publicly available information about CRAM compression rate, speed, losslessness and parallelization, especially across many sequencing platforms. This work will have direct application for Emirati Genome Program and provide practical considerations for other large-scale sequencing efforts.