Regulatory use of endogenous retroviruses Mammalian genomes contain many endogenous retroviruses (ERVs), which have a range of evolutionary ages. The propagation and maintenance of these genetic elements have been attributed to their ability to contribute to gene regulation. Chuong et al. demonstrate that some ERV families are enriched in regulatory elements, so that they act as independently evolved enhancers for immune genes in both humans and mice (see the Perspective by Lynch). The analysis revealed a primate-specific element that orchestrates the transcriptional response to interferons. Selection can therefore act on selfish genetic elements to generate novel gene networks. Science , this issue p. 1083 see also p. 1029

The ciliate Tetrahymena thermophila is a model organism for molecular and cellular biology. Like other ciliates, this species has separate germline and soma functions that are embodied by distinct nuclei within a single cell. The germline-like micronucleus (MIC) has its genome held in reserve for sexual reproduction. The soma-like macronucleus (MAC), which possesses a genome processed from that of the MIC, is the center of gene expression and does not directly contribute DNA to sexual progeny. We report here the shotgun sequencing, assembly, and analysis of the MAC genome of T. thermophila, which is approximately 104 Mb in length and composed of approximately 225 chromosomes. Overall, the gene set is robust, with more than 27,000 predicted protein-coding genes, 15,000 of which have strong matches to genes in other organisms. The functional diversity encoded by these genes is substantial and reflects the complexity of processes required for a free-living, predatory, single-celled organism. This is highlighted by the abundance of lineage-specific duplications of genes with predicted roles in sensing and responding to environmental conditions (e.g., kinases), using diverse resources (e.g., proteases and transporters), and generating structural complexity (e.g., kinesins and dyneins). In contrast to the other lineages of alveolates (apicomplexans and dinoflagellates), no compelling evidence could be found for plastid-derived genes in the genome. UGA, the only T. thermophila stop codon, is used in some genes to encode selenocysteine, thus making this organism the first known with the potential to translate all 64 codons in nuclear genes into amino acids. We present genomic evidence supporting the hypothesis that the excision of DNA from the MIC to generate the MAC specifically targets foreign DNA as a form of genome self-defense. The combination of the genome sequence, the functional diversity encoded therein, and the presence of some pathways missing from other model organisms makes T. thermophila an ideal model for functional genomic studies to address biological, biomedical, and biotechnological questions of fundamental importance.

Summary

 In contrast to RNA viruses, double-stranded DNA viruses have low mutation rates yet must still adapt rapidly in response to changing host defenses. To determine mechanisms of adaptation, we subjected the model poxvirus vaccinia to serial propagation in human cells, where its antihost factor K3L is maladapted against the antiviral protein kinase R (PKR). Viruses rapidly acquired higher fitness via recurrent K3L gene amplifications, incurring up to 7%–10% increases in genome size. These transient gene expansions were necessary and sufficient to counteract human PKR and facilitated the gain of an adaptive amino acid substitution in K3L that also defeats PKR. Subsequent reductions in gene amplifications offset the costs associated with larger genome size while retaining adaptive substitutions. Our discovery of viral "gene-accordions" explains how poxviruses can rapidly adapt to defeat different host defenses despite low mutation rates and reveals how classical Red Queen conflicts can progress through unrecognized intermediates. 

PaperFlick

Significance Interferon γ-inducible protein 16 (IFI16) and cGMP-AMP synthase (cGAS) have both been proposed to directly detect herpesviral DNA in herpes simplex virus (HSV)-infected cells and initiate interferon regulatory factor-3 signaling, but it has been unclear how two DNA sensors could both be required. Both are required in human fibroblasts for detection of HSV and transfected DNAs. We found evidence that IFI16 plays a direct role in HSV DNA sensing, whereas cGAS produces low amounts of cGAMP and promotes the stability of IFI16. Our results demonstrate a new function for cGAS in the maintenance of normal levels of IFI16 and provide an explanation for the multiple proposed DNA sensors.

The ongoing SARS-CoV-2 pandemic is the third zoonotic coronavirus identified in the last twenty years. Enzootic and epizootic coronaviruses of diverse lineages also pose a significant threat to livestock, as most recently observed for virulent strains of porcine epidemic diarrhea virus (PEDV) and swine acute diarrhea-associated coronavirus (SADS-CoV). Unique to RNA viruses, coronaviruses encode a proofreading exonuclease (ExoN) that lowers point mutation rates to increase the viability of large RNA virus genomes, which comes with the cost of limiting virus adaptation via point mutation. This limitation can be overcome by high rates of recombination that facilitate rapid increases in genetic diversification. To compare dynamics of recombination between related sequences, we developed an open-source computational workflow (IDPlot) to measure nucleotide identity, locate recombination breakpoints, and infer phylogenetic relationships. We analyzed recombination dynamics among three groups of coronaviruses with noteworthy impacts on human health and agriculture: SARSr-CoV, Betacoronavirus-1, and SADSr-CoV. We found that all three groups undergo recombination with highly diverged viruses from sparsely sampled or undescribed lineages, which can disrupt the inference of phylogenetic relationships. In most cases, no parental origin of recombinant regions could be found in genetic databases, suggesting that much coronavirus diversity remains unknown. These patterns of recombination expand the genetic pool that may contribute to future zoonotic events. Our results also illustrate the limitations of current sampling approaches for anticipating zoonotic threats to human and animal health.

Viruses have brought humanity many challenges: respiratory infection, cancer, neurological impairment and immunosuppression to name a few. Virology research over the last 60+ years has responded to reduce this disease burden with vaccines and antivirals.

Abstract Horizontal gene transfer (HGT) provides a major source of genetic variation. Many viruses, including poxviruses, encode genes with crucial functions directly gained by gene transfer from hosts. The mechanism of transfer to poxvirus genomes is unknown. Using genome analysis and experimental screens of infected cells, we discovered a central role for Long Interspersed Nuclear Element-1 (LINE-1) retrotransposition in HGT to virus genomes. The process recapitulates processed pseudogene generation, but with host messenger RNA directed into virus genomes. Intriguingly, hallmark features of retrotransposition appear to favor virus adaption through rapid duplication of captured host genes on arrival. Our study reveals a previously unrecognized conduit of genetic traffic with fundamental implications for the evolution of many virus classes and their hosts. Summary Active selfish genetic elements in infected cells aid virus adaptation by catalyzing transfer of host genes to virus genomes.

Viruses have brought humanity many challenges: respiratory infection, cancer, neurological impairment and immunosuppression to name a few. Virology research over the last 60+ years has responded to reduce this disease burden with vaccines and antivirals.

Summary Most restriction factors recognize virus features to execute antiviral functions. In contrast, we discovered retroCHMP3, which instead impairs the host endosomal complexes required for transport (ESCRT) pathway to inhibit budding of enveloped viruses, including HIV-1. The ESCRT pathway is essential, so ESCRT inhibition creates the potential for cytotoxicity. We chart independent courses of retroCHMP3 emergence and reduction of cytotoxicity in New World monkeys and mice using ancestral reconstructions. Overexpression of full-length CHMP3 results in modest antiviral activity, which is enhanced by truncating mutations but causes increased cytotoxicity. We show that retroCHMP3 from squirrel monkeys acquired ancient mutations mitigating cytotoxicity before gaining the activating truncation. In contrast, a truncating mutation arose soon after the independent appearance of murine retroCHMP3, but the variant exhibits regulated expression by interferon signaling, illustrating distinct paths in the emergence of antiviral functions. RetroCHMP3 genes can repeatedly emerge in different species to independently create new immune functions.

Viruses have brought humanity many challenges: respiratory infection, cancer, neurological impairment and immunosuppression to name a few. Virology research over the last 60+ years has responded to reduce this disease burden with vaccines and antivirals.