Domestic dogs exhibit tremendous phenotypic diversity, including a greater variation in body size than any other terrestrial mammal. Here, we generate a high density map of canine genetic variation by genotyping 915 dogs from 80 domestic dog breeds, 83 wild canids, and 10 outbred African shelter dogs across 60,968 single-nucleotide polymorphisms (SNPs). Coupling this genomic resource with external measurements from breed standards and individuals as well as skeletal measurements from museum specimens, we identify 51 regions of the dog genome associated with phenotypic variation among breeds in 57 traits. The complex traits include average breed body size and external body dimensions and cranial, dental, and long bone shape and size with and without allometric scaling. In contrast to the results from association mapping of quantitative traits in humans and domesticated plants, we find that across dog breeds, a small number of quantitative trait loci (≤3) explain the majority of phenotypic variation for most of the traits we studied. In addition, many genomic regions show signatures of recent selection, with most of the highly differentiated regions being associated with breed-defining traits such as body size, coat characteristics, and ear floppiness. Our results demonstrate the efficacy of mapping multiple traits in the domestic dog using a database of genotyped individuals and highlight the important role human-directed selection has played in altering the genetic architecture of key traits in this important species.

Abstract Ocular coloboma (OC) is a failure of complete optic fissure closure during embryonic development and presents as a tissue defect along the proximal distal axis of the ventral eye. It is classed as part of the clinical spectrum of structural eye malformations with microphthalmia and anophthalmia, collectively abbreviated to MAC. Despite deliberate attempts to identify causative variants in MAC, many patients remain without a genetic diagnosis. To reveal potential candidate genes, we utilised transcriptomes experimentally generated from embryonic eye tissues derived from human, mouse, zebrafish, and chicken at stages coincident with optic fissure closure. Our in-silico analyses found 10 genes with optic fissure specific enriched expression: ALDH1A3, BMPR1B, EMX2, EPHB3, NID1, NTN1, PAX2, SMOC1, TENM3 , and VAX1 . In situ hybridization revealed that all 10 genes were broadly expressed ventrally in the developing eye, but that only PAX2 and NTN1 were expressed in cells at the edges of the optic fissure margin. Of these conserved optic fissure genes, EMX2, NID1 , and EPHB3 have not previously been associated with human MAC cases. Targeted genetic manipulation in zebrafish embryos using CRISPR/Cas9 caused the developmental MAC phenotype for emx2 and ephb3 . We scrutined available whole genome sequencing datasets from MAC patients and identified a range of variants with plausible causality. In combination our data suggest that expression of genes involved in ventral eye development are conserved across a range of vertebrate species, and that EMX2, NID1 , and EPHB3 are candidate loci that should be adopted into clinical diagnostic screens for patients with structural eye malformations.

EDAR is a TNF receptor family member with roles in the development and growth of hair, teeth and glands. A derived allele of EDAR , single nucleotide variant rs3827760, encodes EDAR370A, a receptor with more potent signalling effects than the ancestral EDAR370V. This allele of rs3827760 is at very high frequency in modern East Asian and Native American populations as a result of ancient positive selection and has been associated with straighter, thicker hair fibres, alteration of tooth and ear shape, reduced chin protrusion and increased fingertip sweat gland density. Here we report the characterisation of another SNV in EDAR , rs146567337, encoding EDAR380R. The derived allele of this SNV is at its highest global frequency, of up to 5%, in populations of southern China, Vietnam, the Philippines, Malaysia and Indonesia. Using haplotype analyses, we find that the rs3827760 and rs146567337 SNVs arose on distinct haplotypes and that rs146567337 does not show the same signs of positive selection as rs3827760. From functional studies in cultured cells, we find that EDAR380R displays increased EDAR signalling output, at a similar level to that of EDAR370A. The existence of a second SNV with partly overlapping geographic distribution, the same in vitro functional effect and similar evolutionary age as the derived allele of rs3827760, but of independent origin and not exhibiting the same signs of strong selection, suggests a northern focus of positive selection on EDAR function in East Asia.

Goniodysgenesis is a developmental abnormality of the anterior chamber of the eye. It is generally considered to be congenital in dogs (Canis lupus familiaris), and has been associated with glaucoma and blindness. Goniodysgenesis and early-onset glaucoma initially emerged in Border Collies in Australia in the late 1990s and has subsequently been found in Europe and the USA. The objective of the present study was to determine the genetic basis of goniodysgenesis in Border Collies. Clinical diagnosis was based on results of examinations by veterinary ophthalmologists of affected and unaffected dogs from eleven different countries. Genotyping using the Illumina high density canine SNP chip and whole genome sequencing were used to identify candidate genetic regions. Expression profiles and evolutionary conservation of candidate genes were assessed using public databases. Analysis of pedigree information was consistent with an autosomal recessive mode of inheritance for severe goniodysgenesis (potentially leading to glaucoma) in this breed. There was a highly significant peak of association over chromosome 17, with a p-value of 2 x 10-13. Whole genome sequences of three dogs with glaucoma, three severely affected and three unaffected dogs identified a missense variant in the olfactomedin like 3 (OLFML3) gene in all six affected animals. This was homozygous in all nine cases with glaucoma and 12 of 14 other severely affected animals. Of 67 reportedly unaffected animals, only one (offspring of two homozygous affected parents) was homozygous for this variant. The identification of a candidate genetic region and putative causative mutation will aid breeders to reduce the frequency of goniodysgenesis and the risk of glaucoma in the Border Collie population.

The cellular and genetic networks which contribute to the development of the zeugopod, (radius and ulna of the forearm, tibia and fibula of the leg) are not well understood, although these bones are susceptible to loss in congenital human syndromes and to the action of teratogens such as thalidomide. Using a new fate mapping approach in transgenic chickens, we show that there is a small contribution of SHH expressing cells to the posterior ulna, posterior carpals and digit 3. We establish that while the majority of the ulna develops in response to paracrine SHH signaling in both the chicken and mouse, there are differences in the contribution of SHH expressing cells to other tissues of the zeugopod between these two species as well as between the chicken ulna and fibula. This is evidence that although zeugopod bones are clearly homologous according to the fossil record, the zeugopod bones of the wing and leg are formed by subtly different signalling and patterning events during embryonic development, which can be used to understand the shaping of the bird wing skeleton during the evolution of powered flight.

The cellular and genetic networks that contribute to the development of the zeugopod (radius and ulna of the forearm, tibia and fibula of the leg) are not well understood, although these bones are susceptible to loss in congenital human syndromes and to the action of teratogens such as thalidomide. Using a new fate-mapping approach with the Chameleon transgenic chicken line, we show that there is a small contribution of SHH-expressing cells to the posterior ulna, posterior carpals and digit 3. We establish that although the majority of the ulna develops in response to paracrine SHH signalling in both the chicken and mouse, there are differences in the contribution of SHH-expressing cells between mouse and chicken as well as between the chicken ulna and fibula. This is evidence that, although zeugopod bones are clearly homologous according to the fossil record, the gene regulatory networks that contribute to their development and evolution are not fixed.

Abstract Remnant populations of endangered species often have complex demographic histories associated with human impact. This can present challenges for conservation as the genetic status of these populations are often a-typical of natural populations, and may require bespoke management. The Eurasian red squirrel, Sciurus vulgari s (L., 1758), is endangered in the UK. Scotland represents a key stronghold, but Scottish populations have been subjected to intense anthropogenic influence, including wide-spread extirpations, reintroductions and competition from an invasive species. This study examined the genetic legacy of these events through whole genome resequencing of 106 red squirrels. Using SNP and genotype likelihood datasets, previously undetected population structure and patterns of gene-flow were uncovered. One off-shore island, three mainland Scottish populations, and a key east-coast migration corridor were observed. An abrupt historical population bottleneck related to extreme founder effects has led to a severe and prolonged depression in genome-wide heterozygosity, which is amongst the lowest reported for any species. Current designated red squirrel conservation stronghold locations do not encompass all existing diversity. These findings highlight the genetic legacies of past anthropogenic influence on long-term diversity in endangered taxa. Continuing management interventions and regular genetic monitoring are recommended to safeguard and improve future diversity.

Background: Structural 'brain age' is a valuable but complex biomarker for several brain disorders. The dog is an unrivalled comparator for neurological disease modeling, however brain phenotypic diversity among pedigrees creates computational and statistical challenges. Methods: We applied unbiased network correlation analysis in dogs to explore complex interactions between brain morphometrics, patient metadata, and neurological disease. Twenty-four parameters measured from each of 286 brain magnetic resonance imaging scans generated 9,438 data points that were used to cluster canine patients according to their brain morphometry profiles. The network was then explored for statistically significant enrichments within breed, sex, age, and diagnostic categories. Findings: Morphometric comparisons revealed an advanced 'aged-brain' profile in the Boxer breed, consisting of a small brain length, width, and volume, combined with ventriculomegaly. Key features of this profile were paralleled in neutered female dogs which, relative to un-neutered females, had an 11-fold greater risk of developing primary brain tumours. Enrichment analysis confirmed that Boxers and geriatric individuals were enriched for brain tumour diagnoses, despite a lack of geriatric Boxers within the cohort. Interpretation: These findings suggest that accelerated brain ageing might contribute to tumour risk in Boxers and may be influenced by oestrogen deficiency -- a risk factor for dementia and brain tumours in humans. We propose that morphometric features of brain ageing in dogs, like humans, might better predict neurological disease risk than a patient's chronological age. Funding: Wellcome Trust Integrated Training Fellowship for Veterinarians (096409/Z/11/Z to N.M.R) and an MSD Animal Health Connect Bursary (to O.M.S.).

Enhancers that are conserved deep in evolutionary time regulate characteristics held in common across taxonomic classes. Here, we deleted the highly conserved Shh enhancer SBE2 (Shh brain enhancer 2) which markedly reduced expression within the embryonic brain specifically in the rostral diencephalon; however, a putative secondary enhancer driving low levels of Shh partially compensated for the loss of SBE2. Further reduction of Shh levels, crossing the SBE2 deletion with the Shh null allele, disrupted brain and craniofacial tissue, linking SBE2 regulated expression to multiple defects and enabling analysis of development at different expression levels. Development of the hypothalamus, derived from the rostral diencephalon, was disrupted along both the anterior-posterior (AP) and the dorsal-ventral (DV) axes. DV patterning was highly sensitive to Shh expression levels, demonstrating a novel morphogenic context forShh. In addition, loss of SBE2 activity in the diencephalon disrupted neighbouring craniofacial development, including the mediolateral patterning of the bones along the cranial floor and viscerocranium. Thus, SHH signalling coordinates hypothalamic morphogenesis with the formation of the adjacent midline cranial bones that consequently protects the neural tissue.