Lancelets (‘amphioxus’) are the modern survivors of an ancient chordate lineage, with a fossil record dating back to the Cambrian period. Here we describe the structure and gene content of the highly polymorphic ∼520-megabase genome of the Florida lancelet Branchiostoma floridae, and analyse it in the context of chordate evolution. Whole-genome comparisons illuminate the murky relationships among the three chordate groups (tunicates, lancelets and vertebrates), and allow not only reconstruction of the gene complement of the last common chordate ancestor but also partial reconstruction of its genomic organization, as well as a description of two genome-wide duplications and subsequent reorganizations in the vertebrate lineage. These genome-scale events shaped the vertebrate genome and provided additional genetic variation for exploitation during vertebrate evolution. This issue sees the publication of the draft genome sequence of an animal that has been studied by biologists for many years as a model for a primitive chordate. The amphioxus or lancelet is a small worm-like creature, usually to be found buried in sand on the sea floor. Comparative analysis of the genome of the Florida lancelet, Branchiostoma floridae, reveals 17 ancestral chordate linkage groups conserved in the modern amphioxus and vertebrate genomes despite more than half a billion years of independent evolution. From this it possible to make a virtual reconstruction of the 17 chromosomes of the last common chordate ancestor. This reconstruction conforms that two rounds of whole genome duplication have occurred during evolution of the jawed vertebrate lineage. And it illuminates the murky relationships between the three chordate groups, the tunicates, lancelets and vertebrates. The cover shows four adult amphioxus collected in Apalachee Bay, Florida, with anterior towards the top and dorsal to the right. Yellow ovals are gonads. (Photo by Nicholas Putnam, DOE Joint Genome Institute.

The spinal muscular atrophies (SMAs), characterized by spinal cord motor neuron depletion, are among the most common autosomal recessive disorders. One model of SMA pathogenesis invokes an inappropriate persistence of normally occurring motor neuron apoptosis. Consistent with this hypothesis, the novel gene for neuronal apoptosis inhibitory protein (NAIP) has been mapped to the SMA region of chromosome 5q13.1 and is homologous with baculoviral apoptosis inhibitor proteins. The two first coding exons of this gene are deleted in approximately 67% of type I SMA chromosomes compared with 2% of non-SMA chromosomes. Furthermore, RT-PCR analysis reveals internally deleted and mutated forms of the NAIP transcript in type I SMA individuals and not in unaffected individuals. These findings suggest that mutations in the NAIP locus may lead to a failure of a normally occurring inhibition of motor neuron apoptosis resulting in or contributing to the SMA phenotype.

The human genome is by far the largest genome to be sequenced, and its size and complexity present many challenges for sequence assembly. The International Human Genome Sequencing Consortium constructed a map of the whole genome to enable the selection of clones for sequencing and for the accurate assembly of the genome sequence. Here we report the construction of the whole-genome bacterial artificial chromosome (BAC) map and its integration with previous landmark maps and information from mapping efforts focused on specific chromosomal regions. We also describe the integration of sequence data with the map.

We describe the genome sequence of the protist Trichomonas vaginalis , a sexually transmitted human pathogen. Repeats and transposable elements comprise about two-thirds of the ∼160-megabase genome, reflecting a recent massive expansion of genetic material. This expansion, in conjunction with the shaping of metabolic pathways that likely transpired through lateral gene transfer from bacteria, and amplification of specific gene families implicated in pathogenesis and phagocytosis of host proteins may exemplify adaptations of the parasite during its transition to a urogenital environment. The genome sequence predicts previously unknown functions for the hydrogenosome, which support a common evolutionary origin of this unusual organelle with mitochondria.

The systematic comparison of genomic sequences from different organisms represents a central focus of contemporary genome analysis. Comparative analyses of vertebrate sequences can identify coding1,2,3,4,5,6 and conserved non-coding4,6,7 regions, including regulatory elements8,9,10, and provide insight into the forces that have rendered modern-day genomes6. As a complement to whole-genome sequencing efforts3,5,6, we are sequencing and comparing targeted genomic regions in multiple, evolutionarily diverse vertebrates. Here we report the generation and analysis of over 12 megabases (Mb) of sequence from 12 species, all derived from the genomic region orthologous to a segment of about 1.8 Mb on human chromosome 7 containing ten genes, including the gene mutated in cystic fibrosis. These sequences show conservation reflecting both functional constraints and the neutral mutational events that shaped this genomic region. In particular, we identify substantial numbers of conserved non-coding segments beyond those previously identified experimentally, most of which are not detectable by pair-wise sequence comparisons alone. Analysis of transposable element insertions highlights the variation in genome dynamics among these species and confirms the placement of rodents as a sister group to the primates.

The evolution of the amniotic egg was one of the great evolutionary innovations in the history of life, freeing vertebrates from an obligatory connection to water and thus permitting the conquest of terrestrial environments. Among amniotes, genome sequences are available for mammals and birds, but not for non-avian reptiles. Here we report the genome sequence of the North American green anole lizard, Anolis carolinensis. We find that A. carolinensis microchromosomes are highly syntenic with chicken microchromosomes, yet do not exhibit the high GC and low repeat content that are characteristic of avian microchromosomes. Also, A. carolinensis mobile elements are very young and diverse-more so than in any other sequenced amniote genome. The GC content of this lizard genome is also unusual in its homogeneity, unlike the regionally variable GC content found in mammals and birds. We describe and assign sequence to the previously unknown A. carolinensis X chromosome. Comparative gene analysis shows that amniote egg proteins have evolved significantly more rapidly than other proteins. An anole phylogeny resolves basal branches to illuminate the history of their repeated adaptive radiations.

Jeramiah Smith, Weiming Li and colleagues report the whole-genome sequence of the sea lamprey, Petromyzon marinus, representing a vertebrate lineage diverged from humans ~500 million years ago. Their analyses define key evolutionary events in vertebrate lineages and provide evidence for two whole-genome duplication events occurring before the divergence of the ancestral lamprey and jawed vertebrate (gnathostome) lineages. Lampreys are representatives of an ancient vertebrate lineage that diverged from our own ∼500 million years ago. By virtue of this deeply shared ancestry, the sea lamprey (P. marinus) genome is uniquely poised to provide insight into the ancestry of vertebrate genomes and the underlying principles of vertebrate biology. Here, we present the first lamprey whole-genome sequence and assembly. We note challenges faced owing to its high content of repetitive elements and GC bases, as well as the absence of broad-scale sequence information from closely related species. Analyses of the assembly indicate that two whole-genome duplications likely occurred before the divergence of ancestral lamprey and gnathostome lineages. Moreover, the results help define key evolutionary events within vertebrate lineages, including the origin of myelin-associated proteins and the development of appendages. The lamprey genome provides an important resource for reconstructing vertebrate origins and the evolutionary events that have shaped the genomes of extant organisms.

Abstract Small GTP-binding proteins regulate diverse processes in eukaryotic cells such as signal transduction, cell proliferation, cytoskeletal organization, and intracellular membrane trafficking. These proteins function as molecular switches that cycle between “active” and “inactive” states, and this cycle is linked to the binding and hydrolysis of GTP. The Arabidopsis genome contains 93 genes that encode small GTP-binding protein homologs. Phylogenetic analysis of these genes shows that plants contain Rab, Rho, Arf, and Ran GTPases, but no Ras GTPases. We have assembled complete lists of these small GTPases families, as well as accessory proteins that control their activity, and review what is known of the functions of individual members of these families in Arabidopsis. We also discuss the possible roles of these GTPases in relation to their similarity to orthologs with known functions and localizations in yeast and/or animal systems.

The genome of the Southeast Asian great ape or orang-utan has been sequenced — specifically a draft assembly of a Sumatran female individual and short-read sequence data from five further Sumatran and five Bornean orang-utan, Pongo abelii and Pongo pygmaeus, respectively. Orang-utan species appear to have split around 400,000 years ago, more recent than most previous estimates suggested, resulting in an average Bornean–Sumatran nucleotide identity of 99.68%. Structural evolution of the orang-utan genome seems to have proceeded much more slowly than that of other great apes, including chimpanzees and humans. With both orang-utan species on the endangered list, the authors hope that knowledge of the genome sequence and its variation between populations will provide a valuable resource for conservationists. The genome of the southeast Asian orang-utan has been sequenced. The draft assembly of a Sumatran individual alongside sequence data from five Sumatran and five Bornean orang-utan genomes is presented. The resources and analyses described offer new opportunities in evolutionary genomics, insights into hominid biology, and an extensive database of variation for conservation efforts. ‘Orang-utan’ is derived from a Malay term meaning ‘man of the forest’ and aptly describes the southeast Asian great apes native to Sumatra and Borneo. The orang-utan species, Pongo abelii (Sumatran) and Pongo pygmaeus (Bornean), are the most phylogenetically distant great apes from humans, thereby providing an informative perspective on hominid evolution. Here we present a Sumatran orang-utan draft genome assembly and short read sequence data from five Sumatran and five Bornean orang-utan genomes. Our analyses reveal that, compared to other primates, the orang-utan genome has many unique features. Structural evolution of the orang-utan genome has proceeded much more slowly than other great apes, evidenced by fewer rearrangements, less segmental duplication, a lower rate of gene family turnover and surprisingly quiescent Alu repeats, which have played a major role in restructuring other primate genomes. We also describe a primate polymorphic neocentromere, found in both Pongo species, emphasizing the gradual evolution of orang-utan genome structure. Orang-utans have extremely low energy usage for a eutherian mammal1, far lower than their hominid relatives. Adding their genome to the repertoire of sequenced primates illuminates new signals of positive selection in several pathways including glycolipid metabolism. From the population perspective, both Pongo species are deeply diverse; however, Sumatran individuals possess greater diversity than their Bornean counterparts, and more species-specific variation. Our estimate of Bornean/Sumatran speciation time, 400,000 years ago, is more recent than most previous studies and underscores the complexity of the orang-utan speciation process. Despite a smaller modern census population size, the Sumatran effective population size (Ne) expanded exponentially relative to the ancestral Ne after the split, while Bornean Ne declined over the same period. Overall, the resources and analyses presented here offer new opportunities in evolutionary genomics, insights into hominid biology, and an extensive database of variation for conservation efforts.

Cephalochordates, urochordates, and vertebrates evolved from a common ancestor over 520 million years ago. To improve our understanding of chordate evolution and the origin of vertebrates, we intensively searched for particular genes, gene families, and conserved noncoding elements in the sequenced genome of the cephalochordate Branchiostoma floridae , commonly called amphioxus or lancelets. Special attention was given to homeobox genes, opsin genes, genes involved in neural crest development, nuclear receptor genes, genes encoding components of the endocrine and immune systems, and conserved cis -regulatory enhancers. The amphioxus genome contains a basic set of chordate genes involved in development and cell signaling, including a fifteenth Hox gene. This set includes many genes that were co-opted in vertebrates for new roles in neural crest development and adaptive immunity. However, where amphioxus has a single gene, vertebrates often have two, three, or four paralogs derived from two whole-genome duplication events. In addition, several transcriptional enhancers are conserved between amphioxus and vertebrates—a very wide phylogenetic distance. In contrast, urochordate genomes have lost many genes, including a diversity of homeobox families and genes involved in steroid hormone function. The amphioxus genome also exhibits derived features, including duplications of opsins and genes proposed to function in innate immunity and endocrine systems. Our results indicate that the amphioxus genome is elemental to an understanding of the biology and evolution of nonchordate deuterostomes, invertebrate chordates, and vertebrates.