The laboratory mouse shares the majority of its protein-coding genes with humans, making it the premier model organism in biomedical research, yet the two mammals differ in significant ways. To gain greater insights into both shared and species-specific transcriptional and cellular regulatory programs in the mouse, the Mouse ENCODE Consortium has mapped transcription, DNase I hypersensitivity, transcription factor binding, chromatin modifications and replication domains throughout the mouse genome in diverse cell and tissue types. By comparing with the human genome, we not only confirm substantial conservation in the newly annotated potential functional sequences, but also find a large degree of divergence of sequences involved in transcriptional regulation, chromatin state and higher order chromatin organization. Our results illuminate the wide range of evolutionary forces acting on genes and their regulatory regions, and provide a general resource for research into mammalian biology and mechanisms of human diseases.

Eukaryotic chromosomes replicate in a temporal order known as the replication-timing program. In mammals, replication timing is cell-type-specific with at least half the genome switching replication timing during development, primarily in units of 400-800 kilobases ('replication domains'), whose positions are preserved in different cell types, conserved between species, and appear to confine long-range effects of chromosome rearrangements. Early and late replication correlate, respectively, with open and closed three-dimensional chromatin compartments identified by high-resolution chromosome conformation capture (Hi-C), and, to a lesser extent, late replication correlates with lamina-associated domains (LADs). Recent Hi-C mapping has unveiled substructure within chromatin compartments called topologically associating domains (TADs) that are largely conserved in their positions between cell types and are similar in size to replication domains. However, TADs can be further sub-stratified into smaller domains, challenging the significance of structures at any particular scale. Moreover, attempts to reconcile TADs and LADs to replication-timing data have not revealed a common, underlying domain structure. Here we localize boundaries of replication domains to the early-replicating border of replication-timing transitions and map their positions in 18 human and 13 mouse cell types. We demonstrate that, collectively, replication domain boundaries share a near one-to-one correlation with TAD boundaries, whereas within a cell type, adjacent TADs that replicate at similar times obscure replication domain boundaries, largely accounting for the previously reported lack of alignment. Moreover, cell-type-specific replication timing of TADs partitions the genome into two large-scale sub-nuclear compartments revealing that replication-timing transitions are indistinguishable from late-replicating regions in chromatin composition and lamina association and accounting for the reduced correlation of replication timing to LADs and heterochromatin. Our results reconcile cell-type-specific sub-nuclear compartmentalization and replication timing with developmentally stable structural domains and offer a unified model for large-scale chromosome structure and function.

To complement the human Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project and to enable a broad range of mouse genomics efforts, the Mouse ENCODE Consortium is applying the same experimental pipelines developed for human ENCODE to annotate the mouse genome.

Leaf-cutter ants are one of the most important herbivorous insects in the Neotropics, harvesting vast quantities of fresh leaf material. The ants use leaves to cultivate a fungus that serves as the colony's primary food source. This obligate ant-fungus mutualism is one of the few occurrences of farming by non-humans and likely facilitated the formation of their massive colonies. Mature leaf-cutter ant colonies contain millions of workers ranging in size from small garden tenders to large soldiers, resulting in one of the most complex polymorphic caste systems within ants. To begin uncovering the genomic underpinnings of this system, we sequenced the genome of Atta cephalotes using 454 pyrosequencing. One prediction from this ant's lifestyle is that it has undergone genetic modifications that reflect its obligate dependence on the fungus for nutrients. Analysis of this genome sequence is consistent with this hypothesis, as we find evidence for reductions in genes related to nutrient acquisition. These include extensive reductions in serine proteases (which are likely unnecessary because proteolysis is not a primary mechanism used to process nutrients obtained from the fungus), a loss of genes involved in arginine biosynthesis (suggesting that this amino acid is obtained from the fungus), and the absence of a hexamerin (which sequesters amino acids during larval development in other insects). Following recent reports of genome sequences from other insects that engage in symbioses with beneficial microbes, the A. cephalotes genome provides new insights into the symbiotic lifestyle of this ant and advances our understanding of host–microbe symbioses.

Background: Because species-specific gene expression is driven by species-specific regulation, understanding the relationship between sequence and function of the regulatory regions in different species will help elucidate how differences among species arise. Despite active experimental and computational research, the relationships among sequence, conservation, and function are still poorly understood. Results: We compared transcription factor occupied segments (TFos) for 116 human and 35 mouse TFs in 546 human and 125 mouse cell types and tissues from the Human and the Mouse ENCODE projects. We based the map between human and mouse TFos on a one-to-one nucleotide cross-species mapper, bnMapper, that utilizes whole genome alignments (WGA). Our analysis shows that TFos are under evolutionary constraint, but a substantial portion (25.1% of mouse and 25.85% of human on average) of the TFos does not have a homologous sequence on the other species; this portion varies among cell types and TFs. Furthermore, 47.67% and 57.01% of the homologous TFos sequence shows binding activity on the other species for human and mouse respectively. However, 79.87% and 69.22% is repurposed such that it binds the same TF in different cells or different TFs in the same cells. Remarkably, within the set of TFos not showing conservation of occupancy, the corresponding genome regions in the other species are preferred locations of novel TFos. These events suggest that a substantial amount of functional regulatory sequences is exapted from other biochemically active genomic material. Despite substantial repurposing of TFos, we did not find substantial changes in their predicted target genes, suggesting that CRMs buffer evolutionary events allowing little or no change in the TF – target gene associations. Thus, the small portion of TFos with strictly conserved occupancy underestimates the degree of conservation of regulatory interactions. Conclusion: We mapped regulatory sequences from an extensive number of TFs and cell types between human and mouse. A comparative analysis of this correspondence unveiled the extent of the shared regulatory sequence across TFs and cell types under study. Importantly, a large part of the shared regulatory sequence repurposed on the other species. This sequence, fueled by turnover events, provides a strong case for exaptation in regulatory elements.

Abstract Motivation Fast, lightweight methods for comparing the sequence of ever larger assembled genomes from ever growing databases are increasingly needed in the era of accurate long reads and pan-genome initiatives. Matching statistics is a popular method for computing whole-genome phylogenies and for detecting structural rearrangements between two genomes, since it is amenable to fast implementations that require a minimal setup of data structures. However, current implementations use a single core, take too much memory to represent the result, and do not provide efficient ways to analyze the output in order to explore local similarities between the sequences. Results We develop practical tools for computing matching statistics between large-scale strings, and for analyzing its values, faster and using less memory than the state of the art. Specifically, we design a parallel algorithm for shared-memory machines that computes matching statistics 30 times faster with 48 cores in the cases that are most difficult to parallelize. We design a lossy compression scheme that shrinks the matching statistics array to a bitvector that takes from 0.8 to 0.2 bits per character, depending on the dataset and on the value of a threshold, and that achieves 0.04 bits per character in some variants. And we provide efficient implementations of range-maximum and range-sum queries that take a few tens of milliseconds while operating on our compact representations, and that allow computing key local statistics about the similarity between two strings. Our toolkit makes construction, storage, and analysis of matching statistics arrays practical for multiple pairs of the largest genomes available today, possibly enabling new applications in comparative genomics. Availability ad implementation Our C/C++ code is available at https://github.com/odenas/indexed_ms under GPL-3.0.