Genome sequencing analyses from 765 specimens of Anopheles gambiae and Anopheles coluzzii from 15 locations across Africa characterize patterns of gene flow and variations in population size, and provide a resource for studying the evolution of natural malaria vector populations. Anopheles gambiae is the primary mosquito vector responsible for the transmission of malaria in most of sub-Saharan Africa. Alistair Miles, Dominic Kwiatkowski and colleagues report analyses from the Anopheles gambiae 1000 Genomes Project (Ag1000G), including low-coverage genome sequences of 765 specimens of Anopheles gambiae and Anopheles coluzzii, caught in the wild at 15 locations across 8 countries in Africa. The authors analyse genetic variation, finding a high level of genetic diversity in these populations, and characterize patterns of gene flow and variations in population size. These datasets provide a resource for studies into the evolution of malaria vector populations that could guide control strategies and be used to address problems such as the evolution of insecticide resistance. The sustainability of malaria control in Africa is threatened by the rise of insecticide resistance in Anopheles mosquitoes, which transmit the disease1. To gain a deeper understanding of how mosquito populations are evolving, here we sequenced the genomes of 765 specimens of Anopheles gambiae and Anopheles coluzzii sampled from 15 locations across Africa, and identified over 50 million single nucleotide polymorphisms within the accessible genome. These data revealed complex population structure and patterns of gene flow, with evidence of ancient expansions, recent bottlenecks, and local variation in effective population size. Strong signals of recent selection were observed in insecticide-resistance genes, with several sweeps spreading over large geographical distances and between species. The design of new tools for mosquito control using gene-drive systems will need to take account of high levels of genetic diversity in natural mosquito populations.

Abstract Human culture, biology, and health were shaped dramatically by the onset of agriculture ~12,000 years before present (BP). Subsistence shifts from hunting and gathering to agriculture are hypothesized to have resulted in increased individual fitness and population growth as evidenced by archaeological and population genomic data alongside a simultaneous decline in physiological health as inferred from paleopathological analyses and stature reconstructions of skeletal remains. A key component of the health decline inference is that relatively shorter statures observed for early farmers may (at least partly) reflect higher childhood disease burdens and poorer nutrition. However, while such stresses can indeed result in growth stunting, height is also highly heritable, and substantial inter-individual variation in the height genetic component within a population is typical. Moreover, extensive migration and gene flow were characteristics of multiple agricultural transitions worldwide. Here, we consider both osteological and ancient DNA data from the same prehistoric individuals to comprehensively study the trajectory of human stature variation as a proxy for health across a transition to agriculture. Specifically, we compared ‘predicted’ genetic contributions to height from paleogenomic data and ‘achieved’ adult osteological height estimated from long bone measurements on a per-individual basis for n=160 ancient Europeans from sites spanning the Upper Paleolithic to the Iron Age (~38,000-2,400 BP). We found that individuals from the Neolithic were shorter than expected (given their individual polygenic height scores) by an average of −4.47 cm relative to individuals from the Upper Paleolithic and Mesolithic (P=0.016). The average osteological vs. expected stature then increased relative to the Neolithic over the Copper (+2.67 cm, P=0.052), Bronze (+3.33 cm, P=0.032), and Iron Ages (+3.95 cm, P=0.094). These results were partly attenuated when we accounted for genome-wide genetic ancestry variation in our sample (which we note is partly duplicative with the individual polygenic score information). For example, in this secondary analysis Neolithic individuals were −3.48 cm shorter than expected on average relative to individuals from the Upper Paleolithic and Mesolithic (P=0.056). We also incorporated observations of paleopathological indicators of non-specific stress that can persist from childhood to adulthood in skeletal remains (linear enamel hypoplasia, cribra orbitalia, and porotic hyperostosis) into our model. Overall, our work highlights the potential of integrating disparate datasets to explore proxies of health in prehistory.

Abstract Kinda and gray-footed chacma baboons occupy opposite extremes of the body size distribution in extant baboons (genus Papio ). In order to detect signatures of natural selection in these two species, we genotyped 24,790 genome-wide autosomal SNPs from populations of Zambian baboons using double digest RADseq. We scanned the genome for evidence of selection by identifying regions with extreme differentiation between populations. We find evidence of selection on body size influencing multiple genes in one or both species, including FGF1, ATXN2 , and PRKCE . We also find an enriched signal of selection associated with biological processes involved in multicellular organism growth and development, cell proliferation and cell growth, nutrient metabolism, and chondrocyte differentiation. Finally, we find that selection has impacted components of the CCKR signaling pathway, which regulates food intake and metabolism, and the JAK/STAT signaling pathway, which mediates the effect of cytokine signals on processes including epiphyseal chondrocyte proliferation essential for longitudinal bone growth. Our findings highlight promising avenues for future studies disentangling the genetic architecture of body size in primates including humans.

Abstract Malaria is infamous for the massive toll it exacts on human life and health. In the face of this intense selection, many human populations have evolved mechanisms that confer some resistance to the disease, such as sickle-cell hemoglobin or the Duffy null blood group. Less understood are adaptations in other vertebrate hosts, many of which have a longer history of co-evolution with malaria parasites. By comparing malaria resistance adaptations across host species, we can gain fundamental insight into host-parasite co-evolution. In particular, understanding the mechanisms by which non-human primate immune systems combat malaria may be fruitful in uncovering transferable therapeutic targets for humans. However, most research on primate response to malaria has focused on a single or few loci, typically in experimentally-infected captive primates. Here, we report the first transcriptomic study of a wild primate response to a malaria-like parasite, investigating gene expression response of red colobus monkeys ( Piliocolobus tephrosceles ) to natural infection with the malaria-like parasite, Hepatocystis . We identified colobus genes with expression strongly correlated with parasitemia, including many implicated in human malaria and suggestive of common genetic architecture of disease response. For instance, the expression of ACKR1 (alias DARC ) gene, previously linked to resistance in humans, was found to be positively correlated with parasitemia. Other similarities to human parasite response include induction of changes in immune cell type composition and, potentially, increased extramedullary hematopoiesis and altered biosynthesis of neutral lipids. Our results illustrate the utility of comparative immunogenetic investigation of malaria response in primates. Such inter-specific comparisons of transcriptional response to pathogens afford a unique opportunity to compare and contrast the adaptive genetic architecture of disease resistance, which may lead to the identification of novel intervention targets to improve human health. Author Summary The co-evolutionary arms race between humans and malaria parasites has been ongoing for millennia. Fully understanding the evolved human response to malaria is impossible without comparative study of parasites in our non-human primate relatives. Though laboratory primates are fruitful models, the complexity of wild primates infected in a natural transmission system may be a more suitable comparison for contextualizing malaria infections in human patients. Here, we investigate the genetic mechanisms underlying the immune response to Hepatocystis , a close relative of human-infective malaria, in a population of wild Ugandan red colobus monkeys. We find that the genes involved have considerable overlap with those active in human malaria patients. Like Plasmodium , Hepatocystis induces changes in blood cell type and may cause the host to produce blood components outside of the bone marrow or alter metabolism related to the production of lipids. Our work helps to identify the genetic mechanisms underlying the arms race between primates and malaria parasites, providing fundamental evolutionary insight. Such comparative work on the interaction between wild non-human primates and malaria parasites can identify ways in which primates have evolved resistance to malaria parasites, and further investigation of such implicated genes may lead to novel potential therapeutic and vaccine targets.

Abstract No endemic Madagascar animal with body mass >10 kg survived a relatively recent wave of extinction on the island. From morphological and isotopic analyses of skeletal ‘subfossil’ remains we can reconstruct some of the biology and behavioral ecology of giant lemurs (primates; up to ~160 kg), elephant birds (up to ~860 kg), and other extraordinary Malagasy megafauna that survived well into the past millennium. Yet much about the evolutionary biology of these now extinct species remains unknown, along with persistent phylogenetic uncertainty in some cases. Thankfully, despite the challenges of DNA preservation in tropical and sub-tropical environments, technical advances have enabled the recovery of ancient DNA from some Malagasy subfossil specimens. Here we present a nuclear genome sequence (~2X coverage) for one of the largest extinct lemurs, the koala lemur Megaladapis edwardsi (~85kg). To support the testing of key phylogenetic and evolutionary hypotheses we also generated new high-coverage complete nuclear genomes for two extant lemur species, Eulemur rufifrons and Lepilemur mustelinus , and we aligned these sequences with previously published genomes for three other extant lemur species and 47 non-lemur vertebrates. Our phylogenetic results confirm that Megaladapis is most closely related to the extant Lemuridae (typified in our analysis by E. rufifrons ) to the exclusion of L. mustelinus , which contradicts morphology-based phylogenies. Our evolutionary analyses identified significant convergent evolution between M. edwardsi and extant folivorous primates (colobine monkeys) and ungulate herbivores (horses) in genes encoding protein products that function in the biodegradation of plant toxins and nutrient absorption. These results suggest that koala lemurs were highly adapted to a leaf-based diet, which may also explain their convergent craniodental morphology with the small-bodied folivore Lepilemur .

ABSTRACT Mayaro virus (MAYV) is an arboviral pathogen in the genus Alphavirus that is circulating in South America with potential to spread to naïve regions. MAYV is also one of the few viruses with the ability to be transmitted by mosquitoes in the genus Anopheles , as well as the typical arboviral transmitting mosquitoes in the genus Aedes . Few studies have investigated the infection response of Anopheles mosquitoes. In this study we detail the transcriptomic and small RNA responses of An. stephensi to infection with MAYV via infectious bloodmeal at 2, 7, and 14 days post infection (dpi). 487 unique transcripts were significantly regulated, 78 putative novel miRNAs were identified, and an siRNA response is observed targeting the MAYV genome. Gene ontology analysis of transcripts regulated at each timepoint suggested activation of the Toll pathway at 7 dpi and repression of pathways related to autophagy and apoptosis at 14 dpi. These findings provide a basic understanding of the infection response of An. stephensi to MAYV and help to identify host factors which might be useful to target to inhibit viral replication in Anopheles mosquitoes. AUTHOR SUMMARY Mayaro virus (MAYV) is a mosquito-borne Alphavirus responsible for outbreaks in South America and the Caribbean. In this study we infected Anopheles stephensi with MAYV and sequenced mRNA and small RNA to understand how MAYV infection impacts gene transcription and the expression of small RNAs in the mosquito vector. Genes involved with innate immunity and signaling pathways related to cell death are regulated in response to MAYV infection of An. stephensi , we also discover novel miRNAs and describe the expression patterns of miRNAs, siRNAs, and piRNAs following bloodmeal ingestion. These results suggest that MAYV does induce a molecular response to infection in its mosquito vector species.

Understanding the process of genetic adaptation in response to human-mediated ecological change will help elucidate the eco-evolutionary impacts of human activity. Red fire ants (Solenopsis invicta) spread across Southeastern USA since their accidental introduction via Port Mobile, Alabama in the 1930s, serving today as both novel venomous predator and novel toxic prey to native eastern fence lizards (Sceloporus undulatus). To identify potential signatures of genetic adaptation in lizards to invasive fire ants, we generated whole genome sequencing data from 420 native fence lizards sampled across three populations, two of which had not been invaded by fire ants (in Tennessee and Arkansas) and one which had been invaded for ~70 years (Alabama). We detected signatures of positive selection exclusive to the exposed Alabama population for genetic variants overlapping genes related to the membrane attack complex of the complement immune system, growth factor pathways, and morphological development. Prior work identified a relationship between increased lizard survival of fire ant attack and longer hind limbs, which lizards use to remove ants from their bodies. Furthermore, we conducted a genome-wide association study with 381 Alabama lizards to identify 24 hind limb length-associated genetic loci. For two loci, positive-effect alleles occur in high frequency and overlap genomic regions that are highly differentiated from the populations naive to fire ants. Collectively, these findings represent plausible genetic adaptations in response to fire ant invasion, whereby morphological differentiation may increase survival against swarming ants and altered immune responses may allow the exploitation of a novel, toxic food resource.

Obtaining high-quality samples from wild animals is a major obstacle for genomic studies of many taxa, particular at the population level, as collection methods for such samples are typically invasive. DNA from feces is easy to obtain noninvasively, but is dominated by a preponderance of bacterial and other non-host DNA. Because next-generation sequencing technology sequences DNA largely indiscriminately, the high proportion of exogenous DNA drastically reduces the efficiency of high-throughput sequencing for host animal genomics. In order to address this issue, we developed an inexpensive methylation-based capture method for enriching host DNA from noninvasively obtained fecal DNA samples. Our method exploits natural differences in CpG-methylation density between vertebrate and bacterial genomes to preferentially bind and isolate host DNA from majority-bacterial fecal DNA samples. We demonstrate that the enrichment is robust, efficient, and compatible with downstream library preparation methods useful for population studies (e.g., RADseq). Compared to other enrichment strategies, our method is quick and inexpensive, adding only a negligible cost to sample preparation for research that is often severely constrained by budgetary limitations. In combination with downstream methods such as RADseq, our approach allows for cost-effective and customizable genomic-scale genotyping that was previously feasible in practice only with invasive samples. Because feces are widely available and convenient to collect, our method empowers researchers to explore genomic-scale population-level questions in organisms for which invasive sampling is challenging or undesirable.

Abstract Documenting isolation is notoriously difficult for species with vast polymorphic populations. High proportions of shared variation impede estimation of connectivity, even despite leveraging information from many genetic markers. We overcome these impediments by combining classical analysis of neutral variation with assays of the structure of selected variation, demonstrated using populations of the principal African malaria vector Anopheles gambiae . Accurate estimation of mosquito migration is crucial for efforts to combat malaria. Modeling and cage experiments suggest that mosquito gene drive systems will enable malaria eradication, but establishing safety and efficacy requires identification of isolated populations in which to conduct field-testing. We assess Lake Victoria islands as candidate sites, finding one island 30 kilometers offshore is as differentiated from mainland samples as populations from across the continent. Collectively, our results suggest sufficient contemporary isolation of these islands to warrant consideration as field-testing locations and illustrate shared adaptive variation as a useful proxy for connectivity in highly polymorphic species.

ABSTRACT A multitude of malaria species (genus Plasmodium ) infects primates. Due to their public health importance, the human-infective species have garnered the most focus, but increased knowledge of non-human primate malaria species is warranted to improve our evolutionary understanding of host-parasite interactions. Additionally, the broad host tropism of some primate malaria parasites and their realized or theorized zoonotic potential add urgency to understanding of primate-parasite interactions. Here, we use comparative transcriptomics to understand the rhesus macaque ( Macaca mulatta ) response to two malaria parasites used as analogues to human-infective species of differing severity and which may represent emerging zoonotic threats: P. coatneyi , comparable to human-infective P. falciparum , and P. cynomolgi , comparable to human-infective P. vivax . We first validate our transcriptomics-based proxy of parasite load through comparison to gold-standard microscopy-based measures. We then find that malaria-associated host genes have functional links to immune system regulation and blood cells. Host genes with differing expression by malaria species were more likely to be involved in brain-linked functions, perhaps due to the differential central nervous system involvement of the two parasite species. Such comparative work on primate malaria species may help elucidate the essential and species-specific molecular mechanisms that underlie differing clinical presentations and zoonotic risk.