Significance Snake venoms are toxic protein cocktails used for prey capture. To investigate the evolution of these complex biological weapon systems, we sequenced the genome of a venomous snake, the king cobra, and assessed the composition of venom gland expressed genes, small RNAs, and secreted venom proteins. We show that regulatory components of the venom secretory system may have evolved from a pancreatic origin and that venom toxin genes were co-opted by distinct genomic mechanisms. After co-option, toxin genes important for prey capture have massively expanded by gene duplication and evolved under positive selection, resulting in protein neofunctionalization. This diverse and dramatic venom-related genomic response seemingly occurs in response to a coevolutionary arms race between venomous snakes and their prey.

Defective RNA metabolism is an emerging mechanism involved in ALS pathogenesis and possibly in other neurodegenerative disorders. Here, we show that microRNA (miRNA) activity is essential for long-term survival of postmitotic spinal motor neurons (SMNs) in vivo. Thus, mice that do not process miRNA in SMNs exhibit hallmarks of spinal muscular atrophy (SMA), including sclerosis of the spinal cord ventral horns, aberrant end plate architecture, and myofiber atrophy with signs of denervation. Furthermore, a neurofilament heavy subunit previously implicated in motor neuron degeneration is specifically up-regulated in miRNA-deficient SMNs. We demonstrate that the heavy neurofilament subunit is a target of miR-9, a miRNA that is specifically down-regulated in a genetic model of SMA. These data provide evidence for miRNA function in SMN diseases and emphasize the potential role of miR-9–based regulatory mechanisms in adult neurons and neurodegenerative states.

Abstract The interplay between 3D chromatin architecture and gene silencing is incompletely understood. Here, we report a novel point mutation in the non-canonical SMC protein SMCHD1 that enhances its silencing capacity at endogenous developmental targets and at the facioscapulohumeral muscular dystrophy associated macro-array, D4Z4. Heightened SMCHD1 silencing perturbs developmental Hox gene activation, causing a homeotic transformation in mice. Paradoxically, the mutant SMCHD1 appears to enhance insulation against another epigenetic regulator complex, PRC2, while depleting long range chromatin interactions akin to what is observed in the absence of SMCHD1. These data suggest that SMCHD1’s role in long range chromatin interactions is not directly linked to gene silencing or insulating the chromatin, refining the model for how the different levels of SMCHD1-mediated chromatin regulation interact to bring about gene silencing in normal development and disease.

Abstract The regulation of higher order chromatin structure is complex and dynamic; however we do not yet understand the full suite of mechanisms governing architecture. Here we reveal the non-canonical SMC protein Smchd1 as a novel regulator of long-range chromatin interactions, and add it to the canon of epigenetic proteins required for Hox gene regulation. The effect of losing Smchd1-dependent chromatin interactions has varying outcomes dependent on chromatin context. At autosomal targets transcriptionally sensitive to Smchd1 deletion, we find increased short-range interactions and ectopic enhancer activation. By contrast, the inactive X chromosome is transcriptionally refractive to Smchd1 ablation, despite chromosome-wide increases in short-range interactions. There we observe spreading of H3K27me3 domains into regions not normally decorated by this mark. Together these data suggest Smchd1 has the capacity to insulate the chromatin, thereby limiting access to other chromatin modifying proteins.

Abstract Parents transmit genetic and epigenetic information to their offspring. Maternal effect genes regulate the offspring epigenome to ensure normal development. Here we report that the epigenetic regulator SMCHD1 has a maternal effect on Hox gene expression and skeletal patterning. Maternal SMCHD1, present in the oocyte and preimplantation embryo, prevents precocious activation of Hox genes postimplantation. Without maternal SMCHD1, highly penetrant posterior homeotic transformations occur in the embryo. Hox genes are decorated with Polycomb marks H2AK119ub and H3K27me3 from the oocyte throughout early embryonic development; however, loss of maternal SMCHD1 does not alter these marks. Therefore, we propose maternal SMCHD1 acts downstream of Polycomb marks to establish a chromatin state necessary for persistent epigenetic silencing and appropriate Hox gene expression later in the developing embryo. This is a striking role for maternal SMCHD1 in long-lived epigenetic effects impacting offspring phenotype.

Transcription factors (TFs) bind DNA enhancer sequences to regulate gene transcription in animals. Unlike TFs, the evolution of enhancers has been difficult to trace because of their rapid evolution. Here, we show enhancers from the sponge Amphimedon queenslandica can drive cell type-specific reporter gene expression in zebrafish and mouse, despite sponge and vertebrate lineages diverging over 700 million years ago. Although sponge enhancers, which are present in both highly conserved syntenic gene regions (Islet:Scaper, Ccne1:Uri and Tdrd3:Diaph3) and sponge-specific intergenic regions, have no significant sequence identity with vertebrate genomic sequences, the type and frequency of TF binding motifs in the sponge enhancer allow for the identification of homologous enhancers in bilaterians. Islet enhancers identified in human and mouse Scaper genes drive zebrafish reporter expression patterns that are almost identical to the sponge Islet enhancer. The existence of homologous enhancers in these disparate metazoans suggests animal development is controlled by TF-enhancer DNA interactions that were present in the first multicellular animals.

Abstract The vertebrate main-body axis is laid down during embryonic stages in an anterior-to-posterior (head-to-tail) direction, driven and supplied by posteriorly located progenitors. For the vertebral column, the process of axial progenitor cell expansion that drives elongation, and the process of segmentation which allocates progenitor-descendants into repeating pre-vertebral units, occurs seemingly uninterrupted from the first to the last vertebra. Nonetheless, there is clear developmental and evolutionary support for two discrete modules controlling processes within different axial regions: a trunk and a tail module. Here, we identify Nuclear receptor subfamily 6 group A member 1 (Nr6a1) as a master regulator of elongation, segmentation, patterning and lineage allocation specifically within the trunk region of the mouse. Both gain- and loss-of-function in vivo analyses revealed that the precise level of Nr6a1 acts as a rheostat, expanding or contracting vertebral number of the trunk region autonomously from other axial regions. Moreover, Nr6a1 was found to be required for segmentation, but only for trunk-forming somites, with the timely clearance of Nr6a1 critical in supporting tail formation. In parallel with these morphological outcomes, we reveal Nr6a1 as a novel regulator of global Hox signatures within axial progenitors, preventing the precocious expression of multiple posterior Hox genes as the trunk is being laid down and thus reinforcing that patterning and elongation are coordinated. Finally, our data supports a crucial role for Nr6a1 in regulating gene regulatory networks that guide cell lineage choice of axial progenitors between neural and mesodermal fate. Collectively, these data reveal an axially-restricted role for Nr6a1 in all major cellular and tissue-level events required for vertebral column formation, supporting the view that modulation of Nr6a1 expression level or function is likely to underpin evolutionary changes in axial formulae that exclusively alter the trunk region.

Coordinated body movement requires the integration of many sensory inputs. This includes proprioception, the sense of relative body position and force associated with movement. Proprioceptive information is relayed to the cerebellum via spinocerebellar neurons, located in the spinal cord within a number of major neuronal columns or as various scattered cell populations. Despite the importance of proprioception to fluid movement, a molecular understanding of spinocerebellar relay interneurons is only beginning to be explored, with limited knowledge of molecular heterogeneity within and between columns. Using fluorescent reporter knock-in mice, neuronal tracing and in situ hybridisation, we identify widespread expression of Hox cluster genes, including both protein-coding genes and microRNAs, within spinocerebellar neurons. We reveal a Hox code based on axial level and individual spinocerebellar column, which, at cervico-thoracic levels, is essential for subtype regionalisation. Specifically, we show that Hoxc9 function is required in most, but not all, cells of the major thoracic spinocerebellar column, Clarkes column, revealing heterogeneity reliant on Hox signatures.