Abstract Genes involved in spermatogenesis tend to evolve rapidly, but we still lack a clear understanding of how different components of molecular evolution vary across this complex developmental process. We used fluorescence activated cell sorting (FACS) to generate expression data for both early (meiotic) and late (postmeiotic) cell types across thirteen inbred strains of mice ( Mus ) spanning ~7 million years of evolution. We used these comparative developmental data to investigate the evolution of lineage-specific expression, protein-coding sequences, and expression levels. We found increased lineage specificity and more rapid protein-coding and expression divergence during late spermatogenesis, suggesting that signatures of rapid testis molecular evolution are punctuated across sperm development. Despite strong overall developmental parallels in these components of molecular evolution, protein and expression divergences were only weakly correlated across genes. We detected more rapid protein evolution on the X chromosome relative to the autosomes, while X-linked gene expression tended to be relatively more conserved likely reflecting chromosome-wide regulatory constraints. Using allele-specific FACS expression data from crosses between four strains, we found that the relative contributions of different regulatory mechanisms also differed between cell-types. Genes showing cis -regulatory changes were more common late in spermatogenesis, and tended to be associated with larger differences in expression levels and greater expression divergence between species. In contrast, genes with trans -acting changes were more common early and tended to be more conserved across species. Our findings advance understanding of gene evolution across spermatogenesis and underscore the fundamental importance of developmental context in molecular evolutionary studies.

ABSTRACT Hybrid sterility is a complex phenotype that can result from the breakdown of spermatogenesis at multiple developmental stages. Here, we disentangle two proposed hybrid male sterility mechanisms in the house mice, Mus musculus domesticus and M. m. musculus , by comparing patterns of gene expression in sterile F1 hybrids from a reciprocal cross. We found that hybrid males from both cross directions showed disrupted X chromosome expression during prophase of meiosis I consistent with a loss of Meiotic Sex Chromosome Inactivation (MSCI) and Prdm9 -associated sterility, but that the degree of disruption was greater in mice with an M. m. musculus X chromosome consistent with previous studies. During postmeiotic development, gene expression on the X chromosome was only disrupted in one cross direction, suggesting that misexpression at this later stage was genotype-specific and not a simple downstream consequence of MSCI disruption which was observed in both reciprocal crosses. Instead, disrupted postmeiotic expression may depend on the magnitude of earlier disrupted MSCI, or the disruption of particular X-linked genes or gene networks. Alternatively, only hybrids with a potential deficit of Sly copies, a Y-linked ampliconic gene family, showed overexpression in postmeiotic cells, consistent with a previously proposed model of antagonistic coevolution between the X and Y-linked ampliconic genes contributing to disrupted expression late in spermatogenesis. The relative contributions of these two regulatory mechanisms and their impact on sterility phenotypes awaits further study. Our results further support the hypothesis that X-linked hybrid sterility in house mice has a variable genetic basis, and that genotype-specific disruption of gene regulation contributes to overexpression of the X chromosome at different stages of development. Overall, these findings underscore the critical role of epigenetic regulation of the X chromosome during spermatogenesis and suggest that these processes are prone to disruption in hybrids.

Abstract Spermatozoal morphology is highly variable both among and within species and in ways that can significantly impact fertilization success. In Drosophila melanogaster , paternity success depends on sperm length of both competing males and length of the female’s primary sperm storage organ. We found that genes upregulated in long sperm testes are enriched for lncRNAs and seminal fluid proteins (Sfps). Transferred in seminal fluid to the female during mating, Sfps are secreted by the male accessory glands (AG) and affect female remating rate, physiology, and behavior with concomitant advantages for male reproductive success. Despite being upregulated in long sperm testes, they have no known function in testis tissue. We found that Sex Peptide and ovulin (Acp26Aa) knockouts resulted in shorter sperm, suggesting that Sfps may regulate sperm length during spermatogenesis. However, knockout of AG function did not affect sperm length, suggesting that AG expression has no influence on spermatogenic processes. We also found that long sperm males are better able to delay female remating, suggesting higher Sfp expression in AG. These results might suggest that long sperm males have a double advantage in sperm competition by both delaying female remating, likely through transfer of more Sfps, and by resisting sperm displacement. However, we also found that this extra advantage does not necessarily translate to more progeny or higher paternity success. Thus, we found that multiple components of the ejaculate coordinate to promote male reproductive success at different stages of reproduction, but the realized fitness advantages in sperm competition are uncertain. Significance Statement The ejaculate is comprised of sperm produced in the testis and seminal fluid primarily produced in the male accessory glands (AG). These complementary components are both critical for male reproductive success, but they are largely considered to be functionally, genetically, and developmentally independent. In a quest to understand genetic mechanisms of sperm length variation, we found that genes upregulated in long sperm testes are enriched for lncRNAs and seminal fluid proteins (Sfps). Knockout of two Sfps, Sex Peptide and ovulin, results in shorter sperm, though knockout of AG function has no effect. Moreover, long sperm males delay female remating longer. These results suggest sophisticated testis-AG coordination that amplifies male reproductive success, with implications for evolutionary integration of sexually selected traits.

Measurements of nuclear organization in asymmetric nuclei in 2D images have traditionally been manual. This is exemplified by attempts to measure chromosome position in sperm samples, typically by dividing the nucleus into zones, and manually scoring which zone a FISH signal lies in. This is time consuming, limiting the number of nuclei that can be analyzed, and prone to subjectivity. We have developed a new approach for automated mapping of FISH signals in asymmetric nuclei, integrated into an existing image analysis tool for nuclear morphology. Automatic landmark detection defines equivalent structural regions in each nucleus, then dynamic warping of the FISH images to a common shape allows us to generate a composite of the signal within the entire cell population. Using this approach, we mapped the positions of the sex chromosomes and two autosomes in three mouse lineages (Mus musculus domesticus, Mus musculus musculus and Mus spretus). We found that in all three, chromosomes 11 and 19 tend to interact with each other, but are shielded from interactions with the sex chromosomes. This organization is conserved across 2 million years of mouse evolution.

Abstract Incompatibilities on the sex chromosomes are important in the evolution of hybrid male sterility, but the evolutionary forces underlying this phenomenon are unclear. House mice ( Mus musculus ) lineages have provided powerful models for understanding the genetic basis of hybrid male sterility. X chromosome-autosome interactions cause strong incompatibilities in Mus musculus F1 hybrids, but variation in sterility phenotypes suggests a more complex genetic basis. Additionally, XY chromosome conflict has resulted in rapid expansions of ampliconic genes with dosage-dependent expression that is essential to spermatogenesis. Here we evaluated the contribution of XY lineage mismatch to male fertility and stage-specific gene expression in hybrid mice. We performed backcrosses between two house mouse subspecies to generate reciprocal Y-introgression strains and used these strains to test the effects of XY mismatch in hybrids. Our transcriptome analyses of sorted spermatid cells revealed widespread overexpression of the X chromosome in sterile F1 hybrids independent of Y chromosome subspecies origin. Thus, postmeiotic overexpression of the X chromosome in sterile F1 mouse hybrids is likely a downstream consequence of disrupted meiotic X-inactivation rather than XY gene copy number imbalance. Y-chromosome introgression did result in subfertility phenotypes and disrupted expression of several autosomal genes in mice with an otherwise nonhybrid genomic background, suggesting that Y-linked incompatibilities contribute to reproductive barriers, but likely not as a direct consequence of XY conflict. Collectively, these findings suggest that rapid sex chromosome gene family evolution driven by genomic conflict has not resulted in strong male reproductive barriers between these subspecies of house mice.

ABSTRACT Whole tissue RNASeq is the standard approach for studying gene expression divergence in evolutionary biology and provides a snapshot of the comprehensive transcriptome for a given tissue. However, whole tissues consist of diverse cell types differing in expression profiles, and the cellular composition of these tissues can evolve across species. Here, we investigate the effects of different cellular composition on whole tissue expression profiles. We compared gene expression from whole testes and enriched spermatogenesis populations in two species of house mice, Mus musculus musculus and M. m. domesticus , and their sterile and fertile F1 hybrids, which differ in both cellular composition and regulatory dynamics. We found that cellular composition differences skewed expression profiles and differential gene expression in whole testes samples. Importantly, both approaches were able to detect large-scale patterns such as disrupted X chromosome expression although whole testes sampling resulted in decreased power to detect differentially expressed genes. We encourage researchers to account for histology in RNASeq and consider methods that reduce sample complexity whenever feasible. Ultimately, we show that differences in cellular composition between tissues can modify expression profiles, potentially altering inferred gene ontological processes, insights into gene network evolution, and processes governing gene expression evolution.

The mammalian X chromosome shows strong conservation among distantly related species, limiting insights into the distinct selective processes that have shaped sex chromosome evolution. We constructed a chromosome-scale de novo genome assembly for the Siberian dwarf hamster ( Phodopus sungorus ), a species reported to show extensive recombination suppression across an entire arm of the X chromosome. Combining a physical genome assembly based on shotgun and long-range proximity ligation sequencing with a dense genetic map, we detected widespread suppression of female recombination across ∼65% of the Phodopus X chromosome. This region of suppressed recombination likely corresponds to the Xp arm, which has previously been shown to be highly heterochromatic. Using additional sequencing data from two closely-related species ( P. campbelli and P. roborovskii ), we show that recombination suppression on Xp appears to be independent of major structural rearrangements. The suppressed Xp arm was enriched for several transposable element families and de-enriched for genes primarily expressed in the placenta, but otherwise showed similar gene densities, expression patterns, and rates of molecular evolution when compared to the recombinant Xq arm. Phodopus Xp gene content and order was also broadly conserved relative to the more distantly related rat X chromosome. Collectively, these data suggest that widespread suppression of recombination has likely evolved through the transient induction of facultative heterochromatin on the Phodopus Xp arm without major changes in chromosome structure or genetic content. Thus, dramatic changes in the recombination landscape have so far had relatively subtle influences on overall patterns of X-linked molecular evolution. Significance Statement Sex chromosome evolution represents a dynamic process of genomic specialization that is thought to be dependent on evolution of recombination. Here we use genome sequencing and genetic mapping to show that one arm comprising the majority of the X chromosome in a species of dwarf hamster has largely lost the ability to recombine in males and females. Although these dramatic shifts in recombination frequencies might eventually lead to sex chromosome degeneration, loss of recombination on this arm is associated with relatively minor changes in chromosome structure and gene contents in this species. These results underscore the conservation of the X chromosome across mammals, and allow us to test predictions about how genetic recombination influences sex chromosome evolution.

The physical arrangement of chromatin in the nucleus is cell type and species specific. This is particularly evident in sperm, in which most of the cytoplasm has been lost; the shape of the nucleus reflects the shape of the cell. Mice have distinctive falciform (hook shaped) sperm heads and nuclei. Quantification of the differences in shape variation between mouse species and lines often relies on manual measurement and classification that leads to subjective results, making comparisons within and between samples difficult. We have developed an analysis program for assessing the morphology of asymmetric nuclei, and characterised the sperm of mice from a range of inbred, outbred and wild-derived mouse lines. We find that laboratory lines have elevated sperm shape variability both within and between samples in comparison to wild-derived inbred lines, and that sperm shape in the F1 offspring of CBA and C57Bl6J lines is subtly affected by the direction of the cross. Hierarchical clustering can distinguish distinct sperm shapes with greater efficiency and reproducibility than even experienced manual assessors. We quantified the range of morphological defects in the inbred BALB/c line, demonstrating we can identify different morphological subgroups. This approach has applications for studies of sperm development, infertility and toxicology.

Hybrid incompatibilities are a critical component of species barriers and may arise due to negative interactions between divergent regulatory elements in parental species. We used a comparative approach to identify common themes in the regulatory phenotypes associated with hybrid male sterility in two divergent rodent crosses, dwarf hamsters and house mice. We investigated three potential characteristic regulatory phenotypes in hybrids including the propensity towards over or underexpression relative to parental species, the influence of developmental stage on the extent of misexpression, and the role of the sex chromosomes on misexpression phenotypes. In contrast to near pervasive overexpression in hybrid house mice, we found that misexpression in hybrid dwarf hamsters was dependent on developmental stage. In both house mouse and dwarf hamster hybrids, however, misexpression increased with the progression of spermatogenesis, although to varying extents and with potentially different consequences. In both systems, we detected sex-chromosome specific overexpression in stages of spermatogenesis where inactivated X chromosome expression was expected, but the hybrid overexpression phenotypes were fundamentally different. Importantly, misexpression phenotypes support the presence of multiple histological blocks to spermatogenesis in dwarf hamster hybrids, including a potential role of meiotic stalling early in spermatogenesis. Collectively, we demonstrate that while there are some similarities in hybrid regulatory phenotypes of house mice and dwarf hamsters, there are also clear differences that point towards unique mechanisms underlying hybrid male sterility in each system. Our results highlight the potential of comparative approaches in helping to understand the importance of disrupted gene regulation in speciation.