Abstract Skeletal muscle fibers rely upon either oxidative phosphorylation or glycolytic pathway to achieve muscular contractions that power mechanical movements. Species with energy-intensive adaptive traits that require sudden bursts of energy have a greater dependency on fibers that use the glycolytic pathway. Glycolytic fibers have decreased reliance on OXPHOS and lower mitochondrial content compared to oxidative fibers. Hence, we hypothesized that adaptive gene loss might have occurred within the OXPHOS pathway in lineages that largely depend on glycolytic fibers. The protein encoded by the COA1/MITRAC15 gene with conserved orthologs found in budding yeast to humans promotes mitochondrial translation. We show that gene disrupting mutations have accumulated within the COA1/MITRAC15 gene in the cheetah, several species of galliforms, and rodents. The genomic region containing COA1/MITRAC15 is a well-established evolutionary breakpoint region in mammals. Careful inspection of genome assemblies of closely related species of rodents and marsupials suggests two independent COA1/MITRAC15 gene loss events co-occurring with chromosomal rearrangements. Besides recurrent gene loss events, we document changes in COA1/MITRAC15 exon structure in primates and felids. The detailed evolutionary history presented in this study reveals the intricate link between skeletal muscle fiber composition and dispensability of the chaperone-like role of the COA1/MITRAC15 gene.

Volatile low complexity regions (LCRs) are a novel source of adaptive variation, functional diversification and evolutionary novelty. An interplay of selection and mutation governs the composition and length of low complexity regions. High %GC and mutations provide length variability because of mechanisms like replication slippage. Owing to the complex dynamics between selection and mutation, we need a better understanding of their coexistence. Our findings underscore that positively selected sites (PSS) and low complexity regions prefer the terminal regions of genes, co-occurring in most Tetrapoda clades. We observed that positively selected sites within a gene have position-specific roles. Central-positively selected site genes primarily participate in defence responses, whereas terminal-positively selected site genes exhibit non-specific functions. Low complexity region-containing genes in the Tetrapoda clade exhibit a significantly higher %GC and lower

Abstract A majority of the protein-coding genes consist of low-complexity regions (LCRs) in eukaryotes. Volatile LCRs are a novel source of adaptive variation, functional diversification, and evolutionary novelty. LCRs contribute to a wide range of neurodegenerative disorders. Conversely, these regions also play a pivotal role in critical cellular functions, such as morphogenesis, signaling, and transcriptional regulation. An interplay of selection and mutation governs the composition and length of LCRs. High %GC and mutations provide length variability because of mechanisms like replication slippage. The selection is nearly neutral for expansion/contraction within the normal range and purifying above a critical length. Because of the complex dynamics between selection and mutation, we need a better understanding of the coexistence and mechanisms of the two. Our findings indicate that site-specific positive selection and LCRs prefer the terminal regions of a gene and co-occur in most of the Tetrapoda clades. Interestingly, positively selected sites (PSS) are significantly favored in LCRs in eight of the twelve clades studied. We also observed a significant favor of PSSs in the polyQ region of MAML2 in five clades. We also found that PSSs in a gene have position-specific roles. Terminal-PSS genes are enriched for adenyl nucleotide binding, while central-PSS genes are involved in glycosaminoglycan binding. Moreover, central-PSS genes mainly participate in defense responses, but terminal-PSS genes are non-specific. LCR-containing genes have a significantly higher %GC and lower ω (dN/dS) than genes without repeats across the Tetrapoda clade. A lower ω suggests that even though LCRs provide rapid functional diversity, LCR-containing genes face intense purifying selection.

Abstract Genome evolution stands as a paramount determinant for species survival and overall biodiversity on Earth. Among the myriad processes orchestrating genome evolution, the dynamic attributes of length and compositional polymorphism within low-complexity regions (LCR) are the fastest. Clusters of LCR hotspots serve as pivotal conduits connecting different modes of genome evolution, specifically arising through gene duplication events and harboring pivotal sites susceptible to point mutations. Thus, they offer a holistic perspective on the panorama of genome evolution. Furthermore, LCR actively participates in a multifaceted spectrum of neurological, developmental, and cognitive disorders. Despite the substantial body of knowledge concerning the roles of individual LCR-containing genes in the causation of diseases, a comprehensive framework remains conspicuously absent, failing to provide a unified portrayal of LCR-containing genes and their interactions. Furthermore, our understanding of the intricate interplay between paralogy and LCR remains notably deficient. Within this study, we have identified nine clusters of LCR hotspots within the human genome. These clusters are predominantly comprised of closely positioned paralogs, characterized by a significantly higher prevalence of shared LCR and a lower degree of differentiation (F ST ) across diverse human populations. Moreover, we have unveiled intricate networks of LCR-containing genes engaged in mutual interactions, sharing associations with a spectrum of diseases and disorders, with a particular emphasis on hereditary cancer-predisposing syndromes. Our discoveries shed light on the compelling potential of LCR-containing interacting genes to collectively engender identical diseases or disorders, thereby underscoring their pivotal role in the manifestation of pathological conditions. Significance Statement Among myriad genome evolution processes, low-complexity regions (LCR) are pivotal, being both the fastest and bridging other evolution modes like gene duplication and point mutations. Understanding LCR-containing paralogous genes is essential to comprehend genetic diseases. Here, we demonstrate that the human genome harbors clusters of LCR hotspots mainly composed of paralogous genes sharing LCR, indicating a role for segmental duplication. The degree of differentiation is significantly lower in clusters of LCR hotspots than in other regions. Moreover, we provide a detailed network of LCR-containing interacting genes associated with shared diseases. Instead of attributing a single disease to an LCR gene, a unified perspective on LCR-containing interacting genes causing the same disease enhances our understanding of LCR-induced disease mechanisms.

The CYP8B1 gene is known to catalyse reactions that determine the ratio of primary bile salts and the loss of this gene has recently been linked to lack of cholic acid in the bile of naked-mole rats, elephants and manatees using forward genomics approaches. We screened the CYP8B1 gene sequence of more than 200 species and test for relaxation of selection along each terminal branch. The need for retaining a functional copy of the CYP8B1 gene is established by the presence of a conserved open reading frame across most species screened in this study. Interestingly, the dietary switch from bovid to cetacean species is accompanied by an exceptional ten amino-acid extension at the C-terminal end through a single base frame-shift deletion. We also verify that the coding frame disrupting mutations previously reported in the elephant are correct, are shared by extinct Elephantimorpha species and coincide with the dietary switch to herbivory. Relaxation of selection in the CYP8B1 gene of the wombat (Vombatus ursinus) also corresponds to drastic change in diet. In summary, our forward genomics based screen of bird and mammal species identifies recurrent changes in the selection landscape of the CYP8B1 gene concomitant with a change in dietary lipid content.

Protein repeats are a source of rapid evolutionary and functional novelty. Repeats are crucial in development, neurogenesis, immunity, and disease. Repeat length variability and purity can alter the outcome of a pathway by altering the protein structure and affecting the protein-protein interaction affinity. Such rampant alterations can facilitate species to rapidly adapt to new environments or acquire various morphological/physiological features. With more than 11.000 species, the avian clade is one of the most speciose vertebrate clades, with near-ubiquitous distribution globally. Explosive adaptive radiation and functional diversification facilitated the birds to occupy various habitats. High diversity in morphology, physiology, flight pattern, behavior, coloration, and life histories make birds ideal for studying protein repeats’ role in evolutionary novelty. Our results demonstrate a similar repeat diversity and proportion of repeats across all the avian orders considered, implying an essential role of repeats in necessary pathways. We detected positively selected sites in the polyQ repeat of RUNX2 in the avian clade; and considerable repeat length contraction in the Psittacopasserae. The repeats show a species-wide bias towards a contraction in Galloanseriformes. Interestingly, we detected the length contrast of polyS repeat in PCDH20 between Galliformes and Anseriformes. We speculate that length variability of serine repeat and its interaction with β-catenin in the Wnt/β-catenin signalling pathway could have facilitated fowls to adapt to their respective environmental conditions. We believe our study emphasizes the role of protein repeats in functional/morphological diversification in birds. We also provide an extensive list of genes with considerable repeat length contrast to further explore the role of length volatility in evolutionary novelty and rapid functional diversification.