We report a high-quality draft of the genome sequence of the grey, short-tailed opossum (Monodelphis domestica). As the first metatherian ('marsupial') species to be sequenced, the opossum provides a unique perspective on the organization and evolution of mammalian genomes. Distinctive features of the opossum chromosomes provide support for recent theories about genome evolution and function, including a strong influence of biased gene conversion on nucleotide sequence composition, and a relationship between chromosomal characteristics and X chromosome inactivation. Comparison of opossum and eutherian genomes also reveals a sharp difference in evolutionary innovation between protein-coding and non-coding functional elements. True innovation in protein-coding genes seems to be relatively rare, with lineage-specific differences being largely due to diversification and rapid turnover in gene families involved in environmental interactions. In contrast, about 20% of eutherian conserved non-coding elements (CNEs) are recent inventions that postdate the divergence of Eutheria and Metatheria. A substantial proportion of these eutherian-specific CNEs arose from sequence inserted by transposable elements, pointing to transposons as a major creative force in the evolution of mammalian gene regulation.

We present a draft genome sequence of the platypus, Ornithorhynchus anatinus. This monotreme exhibits a fascinating combination of reptilian and mammalian characters. For example, platypuses have a coat of fur adapted to an aquatic lifestyle; platypus females lactate, yet lay eggs; and males are equipped with venom similar to that of reptiles. Analysis of the first monotreme genome aligned these features with genetic innovations. We find that reptile and platypus venom proteins have been co-opted independently from the same gene families; milk protein genes are conserved despite platypuses laying eggs; and immune gene family expansions are directly related to platypus biology. Expansions of protein, non-protein-coding RNA and microRNA families, as well as repeat elements, are identified. Sequencing of this genome now provides a valuable resource for deep mammalian comparative analyses, as well as for monotreme biology and conservation. The duck-billed platypus (Ornithorhynchus anatinus) is a unique egg-laying mammal, with lactation, venom and a bill. It even has an electro­sensory system for foraging underwater. Platypuses are monotremes descended from the most basal branch of the mammalian lineage and combine aspects of both reptilian and mammalian biology. Now an international consortium reports the sequence and analysis of the platypus genome. It is an amalgam of reptilian, mammalian and its own unique characteristics that provides clues to the function and evolution of all mammalian genomes. As well as helping uncover the origins of genomic imprinting, analyses show that platypus and reptile venom proteins have been co-opted independently from the same gene families; milk protein genes are conserved; and immune gene family expansions are directly related to platypus biology. The sequence provides an invaluable resource for comparative genomics, and it will be important for monotreme conservation. The cover image shows the bill with electro­sensory pits, eye and ear opening behind the eye. Platypuses are monotremes and combine aspects of both reptilian and mammalian behaviour. An international consortium reports the genome sequence and analysis of Ornithorhynchus anatinus and as expected, parts of the genome look more like mammals, whereas other parts more like reptiles or even chickens.

The human genome project has been recently complemented by whole-genome assessment sequence of 32 mammals and 24 nonmammalian vertebrate species suitable for comparative genomic analyses. Here we anticipate a precipitous drop in costs and increase in sequencing efficiency, with concomitant development of improved annotation technology and, therefore, propose to create a collection of tissue and DNA specimens for 10 000 vertebrate species specifically designated for whole-genome sequencing in the very near future. For this purpose, we, the Genome 10K Community of Scientists (G10KCOS), will assemble and allocate a biospecimen collection of some 16 203 representative vertebrate species spanning evolutionary diversity across living mammals, birds, nonavian reptiles, amphibians, and fishes (ca. 60 000 living species). In this proposal, we present precise counts for these 16 203 individual species with specimens presently tagged and stipulated for DNA sequencing by the G10KCOS. DNA sequencing has ushered in a new era of investigation in the biological sciences, allowing us to embark for the first time on a truly comprehensive study of vertebrate evolution, the results of which will touch nearly every aspect of vertebrate biological enquiry.

Abstract Heteromorphic sex chromosomes (XY or ZW) present problems of gene dosage imbalance between the sexes, and with the autosomes. Mammalian X chromosome inactivation was long thought to imply a critical need for dosage compensation in vertebrates. However, the universal importance of sex chromosome dosage compensation was questioned by mRNA abundance measurements that demonstrated sex chromosome transcripts are neither balanced between the sexes or with autosomes in monotreme mammals or birds. Here, we demonstrate unbalanced mRNA levels of X genes in platypus males and females that correlate with differential loading of histone modifications, and confirm that transcripts of Z genes are unbalanced between males and females also in chicken. However, we found that in both species, median male to female protein abundance ratios were 1:1, implying an additional level of post-transcriptional control. We conclude that parity of sex chromosome output is achieved in birds, as well as all mammal groups, by a combination of transcriptional and post-transcriptional control, consistent with an essential role for sex chromosome dosage compensation in vertebrates.

Abstract How temperature determines sex remains unknown. A recent hypothesis proposes that conserved cellular mechanisms (calcium and redox; ‘CaRe’ status) sense temperature and identify genes and regulatory pathways likely to be involved in driving sexual development. We take advantage of the unique sex determining system of the model organism, Pogona vitticeps , to assess predictions of this hypothesis. P. vitticeps has ZZ male: ZW female sex chromosomes whose influence can be overridden in genetic males by high temperatures, causing male-to-female sex reversal. We compare a developmental transcriptome series of ZWf females and temperature sex reversed ZZf females. We demonstrate that early developmental cascades differ dramatically between genetically driven and thermally driven females, later converging to produce a common outcome (ovaries). We show that genes proposed as regulators of thermosensitive sex determination play a role in temperature sex reversal. Our study greatly advances the search for the mechanisms by which temperature determines sex. Author Summary In many reptiles and fish, environment can determine, or influence, the sex of developing embryos. How this happens at a molecular level that has eluded resolution for half a century of intensive research. We studied the bearded dragon, a lizard that has sex chromosomes (ZZ male and ZW female), but in which that temperature can override ZZ sex chromosomes to cause male to female sex reversal. This provides an unparalleled opportunity to disentangle, in the same species, the biochemical pathways required to make a female by these two different routes. We sequenced the transcriptomes of gonads from developing ZZ reversed and normal ZW dragon embryos and discovered that different sets of genes are active in ovary development driven by genotype or temperature. Females whose sex was initiated by temperature showed a transcriptional profile consistent with the recently-proposed Calcium-Redox hypotheses of cellular temperature sensing. These findings are an important for understanding how the environment influences the development of sex, and more generally how the environment can epigenetically modify the action of genes.

Heteromorphic sex chromosomes (XY or ZW) present problems of gene dosage imbalance between sexes and with autosomes. A need for dosage compensation has long been thought to be critical in vertebrates. However, this was questioned by findings of unequal mRNA abundance measurements in monotreme mammals and birds. Here, we demonstrate unbalanced mRNA levels of X genes in platypus males and females and a correlation with differential loading of histone modifications. We also observed unbalanced transcripts of Z genes in chicken. Surprisingly, however, we found that protein abundance ratios were 1:1 between the sexes in both species, indicating a post-transcriptional layer of dosage compensation. We conclude that sex chromosome output is maintained in chicken and platypus (and perhaps many other non therian vertebrates) via a combination of transcriptional and post-transcriptional control, consistent with a critical importance of sex chromosome dosage compensation.

Abstract Microchromosomes, once considered unimportant shreds of the chicken genome, are gene rich elements with a high GC content and few transposable elements. Their origin has been debated for decades. We used cytological and whole genome sequence comparisons, and chromosome conformation capture, to trace their origin and fate in genomes of reptiles, birds and mammals. We find that microchromosomes as well as macrochromosomes are highly conserved across birds, and share synteny with single small chromosomes of the chordate amphioxus, attesting to their origin as elements of an ancient animal genome. Turtles and squamates (snakes and lizards) share different subsets of ancestral microchromosomes, having independently lost microchromosomes by fusion with other microchromosomes or macrochromosomes. Patterns of fusions were quite different in different lineages. Cytological observations show that microchromosomes in all lineages are spatially separated into a central compartment at interphase and during mitosis and meiosis. This reflects higher interaction between microchromosomes than with macrochromosomes, as observed by chromosome conformation capture, and suggests some functional coherence. In highly rearranged genomes fused microchromosomes retain most ancestral characteristics, but these may erode over evolutionary time; surprisingly de novo microchromosomes have rapidly adopted high interaction. Some chromosomes of early branching monotreme mammals align to several bird microchromosomes, suggesting multiple microchromosome fusions in a mammalian ancestor. Subsequently multiple rearrangements fueled the extraordinary karyotypic diversity of therian mammals. Thus microchromosomes, far from being aberrant genetic elements, represent fundamental building blocks of amniote chromosomes, and it is mammals, rather than reptiles, that are atypical. Significance Statement Genomes of birds and reptiles, but not mammals, consist of a few large chromosomes and many tiny microchromosomes. Once considered unimportant shreds of the genome, microchromosomes are gene rich and highly conserved among bird and reptiles, and share homology with one or more of the tiny chromosomes of an invertebrate that diverged from the vertebrate lineage 684 million years ago. Microchromosomes interact strongly and crowd together at the centre of cells, suggesting functional coherence. Many microchromosomes have been lost independently in turtles, snakes and lizards as they have fused with each other, or with larger chromosomes. In mammals they have completely disappeared, yet some chromosomes of the basal platypus line up with several microchromosomes, suggesting that they are the building blocks of the atypically variable chromosomes of mammals.

Abstract Long range epigenetic silencing is epitomised by X chromosome inactivation (XCI) in mammals. It is mediated by independently evolved, non-homologous long noncoding RNAs in eutherian and marsupial mammals ( XIST and RSX ). The Xist interactome, comprising proteins that mediate the silencing process, is well documented in mouse studies. Here we interrogate proteins that interact with RSX using chromatin isolation by RNA purification followed by mass spectrometry (ChIRP-MS) in a marsupial representative, Monodelphis domestica. We identify 135 proteins that interact with RSX , of which 56 have orthologues in the Xist interactome. Remarkably, nearly 90% of the combined Xist and RSX interactomes are within the same protein-protein association network. This network clustered into three major groups with distinctive functional enrichments, including RNA splicing and processing, regulation of translation and ribosomal biogenesis, and epigenetic transcriptional silencing. The proteins of the RSX interactome were enriched for regions of intrinsic disorder in common with the Xist interactome, identifying this as a feature of ribonucleoprotein complexes associated with XCI. We also show that RNAi knockdown of representative RSX interactors, HNRNPK and CKAP4, led to reactivation of transcription from the inactive X chromosome, indicating a role for each in marsupial XCI. Thus, despite the absence of linear sequence homology between Xist and RSX , they exhibit extraordinary functional coherence that indicates potential for post-transcriptional regulation, a feature not previously associated with the molecular machinery of XCI.

Bluehead wrasses undergo dramatic, socially-cued female to male sex change. We apply transcriptomic and methylome approaches in this wild coral reef fish to identify the primary trigger and subsequent molecular cascade of gonadal metamorphosis. Our data suggest that the environmental stimulus is exerted via the stress axis, that repression of the aromatase gene (encoding the enzyme converting androgens to estrogens) triggers a cascaded collapse of feminizing gene expression, and identifies notable sex-specific gene neofunctionalization. Furthermore, sex change involves distinct epigenetic reprogramming and an intermediate state with altered epigenetic machinery expression akin to the early developmental cells of mammals. These findings reveal at a molecular level how a normally committed developmental process remains plastic and is reversed to completely alter organ structures.