Abstract Microbes drive ecosystems under constraints imposed by viruses. However, a lack of virus genome information hinders our ability to answer fundamental, biological questions concerning microbial communities. Here we apply single-virus genomics (SVGs) to assess whether portions of marine viral communities are missed by current techniques. The majority of the here-identified 44 viral single-amplified genomes (vSAGs) are more abundant in global ocean virome data sets than published metagenome-assembled viral genomes or isolates. This indicates that vSAGs likely best represent the dsDNA viral populations dominating the oceans. Species-specific recruitment patterns and virome simulation data suggest that vSAGs are highly microdiverse and that microdiversity hinders the metagenomic assembly, which could explain why their genomes have not been identified before. Altogether, SVGs enable the discovery of some of the likely most abundant and ecologically relevant marine viral species, such as vSAG 37-F6, which were overlooked by other methodologies.

Abstract Transcriptomic diversity greatly contributes to the fundamentals of disease, lineage-specific biology, and environmental adaptation. However, much of the actual isoform repertoire contributing to shaping primate evolution remains unknown. Here, we combined deep long- and short-read sequencing complemented with mass spectrometry proteomics in a panel of lymphoblastoid cell lines (LCLs) from human, three other great apes, and rhesus macaque, producing the largest full-length isoform catalog in primates to date. Our transcriptomes reveal thousands of novel transcripts, some of them under active translation, expanding and completing the repertoire of primate gene models. Our comparative analyses unveil hundreds of transcriptomic innovations and isoform usage changes related to immune function and immunological disorders. The confluence of these innovations with signals of positive selection and their limited impact in the proteome points to changes in alternative splicing in genes involved in immune response as an important target of recent regulatory divergence in primates.

Hematopoietic stem cells (HSCs) readily recover from acute stress, but persistent stress can reduce their viability and long-term potential. Here we show that the nuclear factor of activated T cells 5 (NFAT5), a transcription modulator of inflammatory responses, protects the HSC pool under stress. NFAT5 restrains HSC differentiation to multipotent progenitors (MPPs) after bone marrow transplantation and bone marrow ablation with ionizing radiation or chemotherapy. Correspondingly, NFAT5-deficient HSCs fail to support long-term reconstitution of hematopoietic progenitors and mature blood cells after serial transplant. Evidence from competitive transplant assays shows that these defects are HSC-intrinsic. NFAT5-deficient HSCs exhibit enhanced expression of type I interferon (IFN-I) response genes after transplant, and suppressing IFN-I-receptor prevents their exacerbated differentiation and cell death after reconstitution and improves long-term regeneration potential. Blockade of IFN-I receptor also prevented the overdifferentiation of NFAT5-deficient HSCs after bone marrow ablation. These findings show that long-term IFN-I responses to different hematopoietic stressors drive HSCs towards more differentiated progenitors, and that NFAT5 has an HSC-intrinsic role limiting IFN-I responses to preserve reconstitution potential. Our identification of cell-intrinsic mechanisms that strengthen the resistance of HSCs to stress could help to devise approaches to protect long-term stemness during the treatment of hematopoietic malignancies.

Abstract Chromosome-scale genome assemblies based on ultra-long read sequencing technologies are able to illuminate previously intractable aspects of genome biology such as fine-scale centromere structure and large-scale variation in genome features such as heterochromatin, GC content, recombination rate, and gene content. We present here a new chromosome-scale genome of the Mongolian gerbil ( Meriones unguiculatus ) which includes the complete sequence of all centromeres. Gerbil centromeres are composed of four different repeats of length 6pb, 37bp, 127bp, or 1747bp which occur in simple alternating arrays and span 1-6Mb. Gerbil genomes have both an extensive set of GC-rich genes and chromosomes strikingly enriched for constitutive heterochromatin. We sought to determine if there was a link between these two phenomena and found that the two heterochromatic chromosomes of the Mongolian gerbil have distinct underpinnings: Chromosome 5 has a large block of intra-arm heterochromatin as the result of a massive expansion of centromeric repeats, while chromosome 13 is comprised of extremely large (>150kb) repeated sequences. In addition to characterizing centromeres, our results demonstrate the importance of including karyotypic features such as chromosome number and the locations of centromeres in the interpretation of genome sequence data, and highlight novel patterns involved in the evolution of chromosomes.

Abstract The emergence of new structures can often be linked to the evolution of novel cell types that follows the rewiring of developmental gene regulatory subnetworks. Vertebrates are characterized by a complex body plan compared to the other chordate clades and the question remains of whether and how the emergence of vertebrate morphological innovations can be related to the appearance of new embryonic cell populations. We already proposed, by studying mesoderm development in the cephalochordate amphioxus, a scenario for the evolution of the vertebrate head mesoderm. To further test this scenario at the cell population level, we used scRNA-seq to construct a cell atlas of the amphioxus neurula, stage at which the main mesodermal compartments are specified. Our data allowed us to confirm the presence of a prechordal-plate like territory in amphioxus, and shows that cell populations of the anteriormost somites and of the ventral part of the somites present a transcriptomic profile supporting the homology with vertebrate cranial/pharyngeal and lateral plate mesoderm. Finally, our work provides evidence that the appearance of the specific mesodermal structures of the vertebrate head was associated to both segregation of pre-existing cell populations, and co-option of new genes for the control of myogenesis.

Mammalian Y chromosomes are often neglected from genomic analysis. Due to their inherent assembly difficulties, high repeat content, and large ampliconic regions, only a handful of species have their Y chromosome properly characterized. To date, just a single human reference quality Y chromosome, of European ancestry, is available due to a lack of accessible methodology. To facilitate the assembly of such complicated genomic territory, we developed a novel strategy to sequence native, unamplified flow sorted DNA on a MinION nanopore sequencing device. Our approach yields a highly continuous and complete assembly of the first human Y chromosome of African origin. It constitutes a significant improvement over comparable previous methods, increasing continuity by more than 800%, thus allowing a chromosome scale analysis of human Y chromosomes. Sequencing native DNA also allows to take advantage of the nanopore signal data to detect epigenetic modifications in situ. This approach is in theory generalizable to any species simplifying the assembly of extremely large and repetitive genomes.

Abstract The emergence of new structures can often be linked to the evolution of novel cell types that follows the rewiring of developmental gene regulatory subnetworks. Vertebrates are characterized by a complex body plan compared to the other chordate clades and the question remains of whether and how the emergence of vertebrate morphological innovations can be related to the appearance of new embryonic cell populations. We previously proposed, by studying mesoderm development in the cephalochordate amphioxus, a scenario for the evolution of the vertebrate head mesoderm. To further test this scenario at the cell population level, we used scRNA-seq to construct a cell atlas of the amphioxus neurula, stage at which the main mesodermal compartments are specified. Our data allowed us to validate the presence of a prechordal-plate like territory in amphioxus. Additionally, the transcriptomic profile of somite cell populations supports the homology between specific territories of amphioxus somites and vertebrate cranial/pharyngeal and lateral plate mesoderm. Finally, our work provides evidence that the appearance of the specific mesodermal structures of the vertebrate head was associated to both segregation of pre-existing cell populations, and co-option of new genes for the control of myogenesis.

Abstract Recent advances in long-read sequencing technologies have allowed the generation and curation of more complete genome assemblies, enabling the analysis of traditionally neglected chromosomes, such as the human Y chromosome (chrY). Native DNA was sequenced on a MinION Oxford Nanopore Technologies sequencing device to generate genome assemblies for 7 major chrY human haplogroups. We analyzed and compared the chrY enrichment of sequencing data obtained using two different selective sequencing approaches: adaptive sampling and flow cytometry chromosome sorting. We show that adaptive sampling can produce data to create assemblies comparable to chromosome sorting while being a less expensive and time-consuming technique. We also assessed haplogroup-specific structural variants, which would be otherwise difficult to study using short-read sequencing data only. Finally, we took advantage of this technology to detect and profile epigenetic modifications amongst the considered haplogroups. Altogether, we provide a framework to study complex genomic regions with a simple, fast, and affordable methodology that could be applied to larger population genomics datasets.