The genome of the zebra finch — a songbird and a model for the study of vertebrate brain, behaviour and evolution — has been sequenced. Its comparison with the chicken genome, the only other bird genome available, shows that genes with neural function and implicated in cognitive processing of song have been rapidly evolving in the finch lineage. The study also shows that vocal communication engages much of the zebra finch brain transcriptome and identifies a potential integrator of microRNA signals linked to vocal communication. The genome of the zebra finch — a songbird and a model for studying the vertebrate brain, behaviour and evolution — has been sequenced. Comparison with the chicken genome, the only other bird genome available, shows that genes that have neural function and are implicated in the cognitive processing of song have been evolving rapidly in the finch lineage. Moreover, vocal communication engages much of the transcriptome of the zebra finch brain. The zebra finch is an important model organism in several fields1,2 with unique relevance to human neuroscience3,4. Like other songbirds, the zebra finch communicates through learned vocalizations, an ability otherwise documented only in humans and a few other animals and lacking in the chicken5—the only bird with a sequenced genome until now6. Here we present a structural, functional and comparative analysis of the genome sequence of the zebra finch (Taeniopygia guttata), which is a songbird belonging to the large avian order Passeriformes7. We find that the overall structures of the genomes are similar in zebra finch and chicken, but they differ in many intrachromosomal rearrangements, lineage-specific gene family expansions, the number of long-terminal-repeat-based retrotransposons, and mechanisms of sex chromosome dosage compensation. We show that song behaviour engages gene regulatory networks in the zebra finch brain, altering the expression of long non-coding RNAs, microRNAs, transcription factors and their targets. We also show evidence for rapid molecular evolution in the songbird lineage of genes that are regulated during song experience. These results indicate an active involvement of the genome in neural processes underlying vocal communication and identify potential genetic substrates for the evolution and regulation of this behaviour.

The results of sequencing the collared flycatcher genome, and re-sequencing population samples from this species and its sister species, the pied flycatcher, reveal the existence of areas of high sequence divergence compared to background levels, and suggest that complex repeat structures may drive species divergence and that sex chromosomes and autosomes are at different stages of speciation. Flycatchers are important models for speciation. To provide genome-wide insight into the divergence that occurred between lineages during speciation, Hans Ellegren et al. have sequenced the pied flycatcher genome and re-sequenced population samples from this and another species. The results reveal the existence of 'divergence islands' — with fiftyfold higher sequence divergence than the genomic background — non-randomly distributed across the genome. Natural selection acting in both lineages drives divergence in these regions. The authors also report the unexpected observation that targets for selection may not be genes, and may instead be centromeric and telomeric repeats. Unravelling the genomic landscape of divergence between lineages is key to understanding speciation1. The naturally hybridizing collared flycatcher and pied flycatcher are important avian speciation models2,3,4,5,6,7 that show pre- as well as postzygotic isolation8,9. We sequenced and assembled the 1.1-Gb flycatcher genome, physically mapped the assembly to chromosomes using a low-density linkage map10 and re-sequenced population samples of each species. Here we show that the genomic landscape of species differentiation is highly heterogeneous with approximately 50 ‘divergence islands’ showing up to 50-fold higher sequence divergence than the genomic background. These non-randomly distributed islands, with between one and three regions of elevated divergence per chromosome irrespective of chromosome size, are characterized by reduced levels of nucleotide diversity, skewed allele-frequency spectra, elevated levels of linkage disequilibrium and reduced proportions of shared polymorphisms in both species, indicative of parallel episodes of selection. Proximity of divergence peaks to genomic regions resistant to sequence assembly, potentially including centromeres and telomeres, indicate that complex repeat structures may drive species divergence. A much higher background level of species divergence of the Z chromosome, and a lower proportion of shared polymorphisms, indicate that sex chromosomes and autosomes are at different stages of speciation. This study provides a roadmap to the emerging field of speciation genomics.

Abstract Background Like its human counterpart, canine atopic dermatitis (cAD) is a chronic relapsing condition; thus, most cAD-affected dogs will require lifelong treatment to maintain an acceptable quality of life. A potential intervention is modulation of the composition of gut microbiota, and in fact, probiotic treatment has been proposed and tried in human atopic dermatitis (AD) patients. Since dogs are currently receiving intensive medical care, this will be the same option for dogs, while evidence of gut dysbiosis in cAD is still missing, although skin microbial profiling in cAD has been conducted in several studies. Therefore, we conducted a comprehensive analysis of both gut and skin microbiota in cAD in one specific cAD-predisposed breed, Shiba Inu. Additionally, we evaluated the impact of commonly used medical management on cAD (Janus kinase; JAK inhibitor, oclacitinib) on the gut and skin microbiota. Furthermore, we genotyped the Shiba Inu dogs according to the mitochondrial DNA haplogroup and assessed its association with the composition of the gut microbiota. Results Staphylococcus was the most predominant bacterial genus observed in the skin; Escherichia/Shigella and Clostridium sensu stricto were highly abundant in the gut of cAD-affected dogs. In the gut microbiota, Fusobacteria and Megamonas were highly abundant in healthy dogs but significantly reduced in cAD-affected dogs. The abundance of these bacterial taxa was positively correlated with the effect of the treatment and state of the disease. Oclacitinib treatment on cAD-affected dogs shifted the composition of microbiota towards that in healthy dogs, and the latter brought it much closer to healthy microbiota, particularly in the gut. Additionally, even within the same dog breed, the mtDNA haplogroup varied, and there was an association between the mtDNA haplogroup and gut microbial composition. Conclusions Dysbiosis of both the skin and the gut was observed in cAD in Shiba Inu dogs. Our findings provide a basis for the potential treatment of cAD by manipulating the gut microbiota as well as the skin microbiota.

Type 2 diabetes presents a growing global health concern, with emerging evidence highlighting the pivotal role of the human gut microbiome in metabolic diseases. This study employs metabolic modelling to elucidate changes in host-microbiome interactions in type 2 diabetes. Glucose levels, dietary intake, 16S sequences and metadata were estimated and collected for a cohort of 1,866 individuals. In addition, microbial community models, as well as ecological interactions were simulated for the gut microbiomes of the cohort participants. Our findings revealed a significant decrease in the fluxes of metabolites provided by the host to the microbiome through the diet in patients with type 2 diabetes, accompanied by an increase in within-community exchanges. Moreover, the diabetic microbial community shifts towards increased exploitative ecological interactions among its member species at the expense of collaborative interactions. The reduced butyrate flux from the community to the host and reduced tryptophan acquired by the microbiome from the host's diet further highlight the dysregulation in microbial-host interactions in diabetes. Additionally, microbiomes of type 2 diabetes patients exhibit enrichment in energy metabolism pathways, indicative of increased metabolic activity and antagonism. This study provides insights into the metabolic dynamics of the diabetic gut microbiome, shedding light on its increased autonomy and altered ecological interactions accompanying diabetes, and provides candidate metabolic targets for intervention studies and experimental validations, such as butyrate, tryptophan, H2S, several nucleotides, amino acids, and B vitamins.

Abstract Determining the forces that shape diversity in host-associated bacterial communities is critical to understanding the evolution and maintenance of metaorganisms. To gain deeper understanding of the role of host genetics in shaping gut microbial traits, we employed a powerful genetic mapping approach using inbred lines derived from the hybrid zone of two incipient house mouse species. Further, we uniquely performed our analysis on microbial traits measured at the gut mucosal interface, which is in more direct contact with host cells and the immune system. A high number of mucosa-associated bacterial taxa have significant heritability estimates; heritabilities are greater for 16S rRNA transcript-compared to gene copy-based traits, and interestingly, are positively correlated with cospeciation rate estimates. Genomewide association mapping identifies 443 loci influencing 123 taxa, with narrow genomic intervals pinpointing promising candidate genes and pathways. Importantly, we identified an enrichment of candidate genes associated with several human diseases, including inflammatory bowel disease, and functional categories including innate immunity and G-protein-coupled receptors. These results highlight key features of the genetic architecture of mammalian host-microbe interactions and how they diverge as new species form.