Drosophila melanogaster is one of the most well studied genetic model organisms; nonetheless, its genome still contains unannotated coding and non-coding genes, transcripts, exons and RNA editing sites. Full discovery and annotation are pre-requisites for understanding how the regulation of transcription, splicing and RNA editing directs the development of this complex organism. Here we used RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages. We identified 111,195 new elements, including thousands of genes, coding and non-coding transcripts, exons, splicing and editing events, and inferred protein isoforms that previously eluded discovery using established experimental, prediction and conservation-based approaches. These data substantially expand the number of known transcribed elements in the Drosophila genome and provide a high-resolution view of transcriptome dynamics throughout development. Three papers in this issue of Nature report on the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in the fruitfly Drosophila melanogaster and the roundworm Caenorhabditis elegans. Kharchenko et al. present a genome-wide chromatin landscape of the fruitfly, based on 18 histone modifications. They describe nine prevalent chromatin states. Integrating these analyses with other data types reveals individual characteristics of different genomic elements. Graveley et al. have used RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages of the fruitfly. Among the results are scores of new genes, coding and non-coding transcripts, as well as splicing and editing events. Finally, Nègre et al. have produced a map of the regulatory part of the fruitfly genome, defining a vast array of putative regulatory elements, such as enhancers, promoters, insulators and silencers. As part of the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in D. melanogaster and C. elegans, this study uses RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages of the fruitfly. Among the results are scores of new genes, coding and non-coding transcripts, as well as splicing and editing events.

From Genome to Regulatory Networks For biologists, having a genome in hand is only the beginning—much more investigation is still needed to characterize how the genome is used to help to produce a functional organism (see the Perspective by Blaxter ). In this vein, Gerstein et al. (p. 1775 ) summarize for the Caenorhabditis elegans genome, and The modENCODE Consortium (p. 1787 ) summarize for the Drosophila melanogaster genome, full transcriptome analyses over developmental stages, genome-wide identification of transcription factor binding sites, and high-resolution maps of chromatin organization. Both studies identified regions of the nematode and fly genomes that show highly occupied targets (or HOT) regions where DNA was bound by more than 15 of the transcription factors analyzed and the expression of related genes were characterized. Overall, the studies provide insights into the organization, structure, and function of the two genomes and provide basic information needed to guide and correlate both focused and genome-wide studies.

We demonstrate the feasibility of generating thousands of transgenic Drosophila melanogaster lines in which the expression of an exogenous gene is reproducibly directed to distinct small subsets of cells in the adult brain. We expect the expression patterns produced by the collection of 5,000 lines that we are currently generating to encompass all neurons in the brain in a variety of intersecting patterns. Overlapping 3-kb DNA fragments from the flanking noncoding and intronic regions of genes thought to have patterned expression in the adult brain were inserted into a defined genomic location by site-specific recombination. These fragments were then assayed for their ability to function as transcriptional enhancers in conjunction with a synthetic core promoter designed to work with a wide variety of enhancer types. An analysis of 44 fragments from four genes found that >80% drive expression patterns in the brain; the observed patterns were, on average, comprised of <100 cells. Our results suggest that the D. melanogaster genome contains >50,000 enhancers and that multiple enhancers drive distinct subsets of expression of a gene in each tissue and developmental stage. We expect that these lines will be valuable tools for neuroanatomy as well as for the elucidation of neuronal circuits and information flow in the fly brain.

To explore the origins and consequences of tetraploidy in the African clawed frog, we sequenced the Xenopus laevis genome and compared it to the related diploid X. tropicalis genome. We characterize the allotetraploid origin of X. laevis by partitioning its genome into two homoeologous subgenomes, marked by distinct families of ‘fossil’ transposable elements. On the basis of the activity of these elements and the age of hundreds of unitary pseudogenes, we estimate that the two diploid progenitor species diverged around 34 million years ago (Ma) and combined to form an allotetraploid around 17–18 Ma. More than 56% of all genes were retained in two homoeologous copies. Protein function, gene expression, and the amount of conserved flanking sequence all correlate with retention rates. The subgenomes have evolved asymmetrically, with one chromosome set more often preserving the ancestral state and the other experiencing more gene loss, deletion, rearrangement, and reduced gene expression. The two homoeologous subgenomes in the allotetraploid frog Xenopus laevis evolved asymmetrically; one often retained the ancestral state, whereas the other experienced gene loss, deletion, rearrangement and reduced gene expression. Xenopus laevis, also known as the African clawed frog or platanna, is an important model organism that is used in the study of vertebrate cell and developmental biology. It is a palaeotetraploid—the product of genome duplications that occurred many millions of years ago. This makes X. laevis ideal for the study of polyploidy, but has greatly complicated genome sequencing. Here an international research collaboration reports the X. laevis genome sequence and compares it to that of the related X. tropicalis. Their analyses confirm that X. laevis is an allotetraploid and distinguishes two subgenomes that evolved asymmetrically—one often retained the ancestral state and the other was subject to gene loss, deletion, rearrangement and reduced expression. The two diploid progenitor species diverged about 34 million years ago, combining to form an allotetraploid about 18 million years ago.

Abstract The Berkeley Drosophila Genome Project (BDGP) strives to disrupt each Drosophila gene by the insertion of a single transposable element. As part of this effort, transposons in &gt;30,000 fly strains were localized and analyzed relative to predicted Drosophila gene structures. Approximately 6300 lines that maximize genomic coverage were selected to be sent to the Bloomington Stock Center for public distribution, bringing the size of the BDGP gene disruption collection to 7140 lines. It now includes individual lines predicted to disrupt 5362 of the 13,666 currently annotated Drosophila genes (39%). Other lines contain an insertion at least 2 kb from others in the collection and likely mutate additional incompletely annotated or uncharacterized genes and chromosomal regulatory elements. The remaining strains contain insertions likely to disrupt alternative gene promoters or to allow gene misexpression. The expanded BDGP gene disruption collection provides a public resource that will facilitate the application of Drosophila genetics to diverse biological problems. Finally, the project reveals new insight into how transposons interact with a eukaryotic genome and helps define optimal strategies for using insertional mutagenesis as a genomic tool.

The BioMart Community Portal (www.biomart.org) is a community-driven effort to provide a unified interface to biomedical databases that are distributed worldwide. The portal provides access to numerous database projects supported by 30 scientific organizations. It includes over 800 different biological datasets spanning genomics, proteomics, model organisms, cancer data, ontology information and more. All resources available through the portal are independently administered and funded by their host organizations. The BioMart data federation technology provides a unified interface to all the available data. The latest version of the portal comes with many new databases that have been created by our ever-growing community. It also comes with better support and extensibility for data analysis and visualization tools. A new addition to our toolbox, the enrichment analysis tool is now accessible through graphical and web service interface. The BioMart community portal averages over one million requests per day. Building on this level of service and the wealth of information that has become available, the BioMart Community Portal has introduced a new, more scalable and cheaper alternative to the large data stores maintained by specialized organizations.

Animal transcriptomes are dynamic, with each cell type, tissue and organ system expressing an ensemble of transcript isoforms that give rise to substantial diversity. Here we have identified new genes, transcripts and proteins using poly(A)+ RNA sequencing from Drosophila melanogaster in cultured cell lines, dissected organ systems and under environmental perturbations. We found that a small set of mostly neural-specific genes has the potential to encode thousands of transcripts each through extensive alternative promoter usage and RNA splicing. The magnitudes of splicing changes are larger between tissues than between developmental stages, and most sex-specific splicing is gonad-specific. Gonads express hundreds of previously unknown coding and long non-coding RNAs (lncRNAs), some of which are antisense to protein-coding genes and produce short regulatory RNAs. Furthermore, previously identified pervasive intergenic transcription occurs primarily within newly identified introns. The fly transcriptome is substantially more complex than previously recognized, with this complexity arising from combinatorial usage of promoters, splice sites and polyadenylation sites. A large-scale transcriptome analysis in Drosophila melanogaster, across tissues, cell types and conditions, provides insights into global patterns and diversity of transcription initiation, splicing, polyadenylation and non-coding RNA expression.

Described is a randomly inserting transposon that can be swapped for gene traps, coding insertions or protein tag genes, thus expanding the toolkit for Drosophila melanogaster genome engineering. We demonstrate the versatility of a collection of insertions of the transposon Minos-mediated integration cassette (MiMIC), in Drosophila melanogaster. MiMIC contains a gene-trap cassette and the yellow+ marker flanked by two inverted bacteriophage ΦC31 integrase attP sites. MiMIC integrates almost at random in the genome to create sites for DNA manipulation. The attP sites allow the replacement of the intervening sequence of the transposon with any other sequence through recombinase-mediated cassette exchange (RMCE). We can revert insertions that function as gene traps and cause mutant phenotypes to revert to wild type by RMCE and modify insertions to control GAL4 or QF overexpression systems or perform lineage analysis using the Flp recombinase system. Insertions in coding introns can be exchanged with protein-tag cassettes to create fusion proteins to follow protein expression and perform biochemical experiments. The applications of MiMIC vastly extend the D. melanogaster toolkit.

Sequencing of multiple related species followed by comparative genomics analysis constitutes a powerful approach for the systematic understanding of any genome. Here, we use the genomes of 12 Drosophila species for the de novo discovery of functional elements in the fly. Each type of functional element shows characteristic patterns of change, or 'evolutionary signatures', dictated by its precise selective constraints. Such signatures enable recognition of new protein-coding genes and exons, spurious and incorrect gene annotations, and numerous unusual gene structures, including abundant stop-codon readthrough. Similarly, we predict non-protein-coding RNA genes and structures, and new microRNA (miRNA) genes. We provide evidence of miRNA processing and functionality from both hairpin arms and both DNA strands. We identify several classes of pre- and post-transcriptional regulatory motifs, and predict individual motif instances with high confidence. We also study how discovery power scales with the divergence and number of species compared, and we provide general guidelines for comparative studies. This issue includes a landmark collection of papers on the stalwart of the genetics lab, the Drosophila fruit fly. The centrepiece is the publication by the Drosophila 12 Genomes Consortium of the genomic sequence for ten Drosophila species. The paper compares the newly sequenced genomes (sechellia, simulans, yakuba, erecta, ananassae, persimilis, willistoni, mojavensis, virilis and grimshawi species), with the two previously known sequences for D. melanogaster and D. pseudoobscura. The resulting database of genetic variation will be invaluable for the study of the forces of evolutionary change. A second major collaboration has mined the dozen Drosophila genome sequences for conserved elements, and reports the relationship between conservation and function for many specific sequence motifs. A detailed regulatory network emerges, identifying protein-coding genes and exons, RNA genes, microRNAs and their targets. These papers are discussed in News and Views. Two further research papers use the new genomic data to study gene expression, first for genes with male-biased expression and those unique to each species and second, to track the evolution of gene dosage compensation on Drosophila sex chromosomes. Four new reviews focus on how the latest work on Drosophila is taking this genetically pliant lab model into exciting new fields. Pierre Leopold and Norbert Perrimon review advances in the study of endocrinology and homeostasis that are establishing Drosophila as a model for mammalian physiology. Drosophila has proved a powerful system in which to study the pathways controlling cell shape in growing tissue, as reported by Thomas Lecuit and Loïc Le Goff. Leslie Vosshall reviews the remarkable work linking neural circuits and behaviour and John Lis reviews work on Drosophila that has rewritten the textbook view of gene transcription. The cover shows anaesthetized individuals of all twelve Drosophila species. The genomic sequences of 12 Drosophila species for conserved elements and describe the relationship between conservation and function for many specific sequence motifs.

Transposable elements are found in the genomes of nearly all eukaryotes. The recent completion of the Release 3 euchromatic genomic sequence of Drosophila melanogaster by the Berkeley Drosophila Genome Project has provided precise sequence for the repetitive elements in the Drosophila euchromatin. We have used this genomic sequence to describe the euchromatic transposable elements in the sequenced strain of this species. We identified 85 known and eight novel families of transposable element varying in copy number from one to 146. A total of 1,572 full and partial transposable elements were identified, comprising 3.86% of the sequence. More than two-thirds of the transposable elements are partial. The density of transposable elements increases an average of 4.7 times in the centromere-proximal regions of each of the major chromosome arms. We found that transposable elements are preferentially found outside genes; only 436 of 1,572 transposable elements are contained within the 61.4 Mb of sequence that is annotated as being transcribed. A large proportion of transposable elements is found nested within other elements of the same or different classes. Lastly, an analysis of structural variation from different families reveals distinct patterns of deletion for elements belonging to different classes. This analysis represents an initial characterization of the transposable elements in the Release 3 euchromatic genomic sequence of D. melanogaster for which comparison to the transposable elements of other organisms can begin to be made. These data have been made available on the Berkeley Drosophila Genome Project website for future analyses.