The discovery of a living coelacanth specimen in 1938 was remarkable, as this lineage of lobe-finned fish was thought to have become extinct 70 million years ago. The modern coelacanth looks remarkably similar to many of its ancient relatives, and its evolutionary proximity to our own fish ancestors provides a glimpse of the fish that first walked on land. Here we report the genome sequence of the African coelacanth, Latimeria chalumnae. Through a phylogenomic analysis, we conclude that the lungfish, and not the coelacanth, is the closest living relative of tetrapods. Coelacanth protein-coding genes are significantly more slowly evolving than those of tetrapods, unlike other genomic features. Analyses of changes in genes and regulatory elements during the vertebrate adaptation to land highlight genes involved in immunity, nitrogen excretion and the development of fins, tail, ear, eye, brain and olfaction. Functional assays of enhancers involved in the fin-to-limb transition and in the emergence of extra-embryonic tissues show the importance of the coelacanth genome as a blueprint for understanding tetrapod evolution.

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 This unit describes how to use the genome annotation and curation tools MAKER and MAKER‐P to annotate protein‐coding and noncoding RNA genes in newly assembled genomes, update/combine legacy annotations in light of new evidence, add quality metrics to annotations from other pipelines, and map existing annotations to a new assembly. MAKER and MAKER‐P can rapidly annotate genomes of any size, and scale to match available computational resources. © 2014 by John Wiley & Sons, Inc.

Ingo Braasch, John Postlethwait and colleagues report the genome of the spotted gar (Lepisosteus oculatus), whose lineage diverged from teleosts before genome duplication. Their data provide insights into the evolution of genes involved in immunity, mineralization and development and facilitate the comparison of cis-regulatory elements between teleosts and humans. To connect human biology to fish biomedical models, we sequenced the genome of spotted gar (Lepisosteus oculatus), whose lineage diverged from teleosts before teleost genome duplication (TGD). The slowly evolving gar genome has conserved in content and size many entire chromosomes from bony vertebrate ancestors. Gar bridges teleosts to tetrapods by illuminating the evolution of immunity, mineralization and development (mediated, for example, by Hox, ParaHox and microRNA genes). Numerous conserved noncoding elements (CNEs; often cis regulatory) undetectable in direct human-teleost comparisons become apparent using gar: functional studies uncovered conserved roles for such cryptic CNEs, facilitating annotation of sequences identified in human genome-wide association studies. Transcriptomic analyses showed that the sums of expression domains and expression levels for duplicated teleost genes often approximate the patterns and levels of expression for gar genes, consistent with subfunctionalization. The gar genome provides a resource for understanding evolution after genome duplication, the origin of vertebrate genomes and the function of human regulatory sequences.

Importance

 Evolutionary medicine may provide insights into human physiology and pathophysiology, including tumor biology. 

Objective

 To identify mechanisms for cancer resistance in elephants and compare cellular response to DNA damage among elephants, healthy human controls, and cancer-prone patients with Li-Fraumeni syndrome (LFS). 

Design, Setting, and Participants

 A comprehensive survey of necropsy data was performed across 36 mammalian species to validate cancer resistance in large and long-lived organisms, including elephants (n = 644). The African and Asian elephant genomes were analyzed for potential mechanisms of cancer resistance. Peripheral blood lymphocytes from elephants, healthy human controls, and patients with LFS were tested in vitro in the laboratory for DNA damage response. The study included African and Asian elephants (n = 8), patients with LFS (n = 10), and age-matched human controls (n = 11). Human samples were collected at the University of Utah between June 2014 and July 2015. 

Exposures

 Ionizing radiation and doxorubicin. 

Main Outcomes and Measures

 Cancer mortality across species was calculated and compared by body size and life span. The elephant genome was investigated for alterations in cancer-related genes. DNA repair and apoptosis were compared in elephant vs human peripheral blood lymphocytes. 

Results

 Across mammals, cancer mortality did not increase with body size and/or maximum life span (eg, for rock hyrax, 1% [95% CI, 0%-5%]; African wild dog, 8% [95% CI, 0%-16%]; lion, 2% [95% CI, 0%-7%]). Despite their large body size and long life span, elephants remain cancer resistant, with an estimated cancer mortality of 4.81% (95% CI, 3.14%-6.49%), compared with humans, who have 11% to 25% cancer mortality. While humans have 1 copy (2 alleles) ofTP53, African elephants have at least 20 copies (40 alleles), including 19 retrogenes (38 alleles) with evidence of transcriptional activity measured by reverse transcription polymerase chain reaction. In response to DNA damage, elephant lymphocytes underwent p53-mediated apoptosis at higher rates than human lymphocytes proportional toTP53status (ionizing radiation exposure: patients with LFS, 2.71% [95% CI, 1.93%-3.48%] vs human controls, 7.17% [95% CI, 5.91%-8.44%] vs elephants, 14.64% [95% CI, 10.91%-18.37%];P < .001; doxorubicin exposure: human controls, 8.10% [95% CI, 6.55%-9.66%] vs elephants, 24.77% [95% CI, 23.0%-26.53%];P < .001). 

Conclusions and Relevance

 Compared with other mammalian species, elephants appeared to have a lower-than-expected rate of cancer, potentially related to multiple copies ofTP53. Compared with human cells, elephant cells demonstrated increased apoptotic response following DNA damage. These findings, if replicated, could represent an evolutionary-based approach for understanding mechanisms related to cancer suppression.

Abstract We have optimized and extended the widely used annotation engine MAKER in order to better support plant genome annotation efforts. New features include better parallelization for large repeat-rich plant genomes, noncoding RNA annotation capabilities, and support for pseudogene identification. We have benchmarked the resulting software tool kit, MAKER-P, using the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) and maize (Zea mays) genomes. Here, we demonstrate the ability of the MAKER-P tool kit to automatically update, extend, and revise the Arabidopsis annotations in light of newly available data and to annotate pseudogenes and noncoding RNAs absent from The Arabidopsis Informatics Resource 10 build. Our results demonstrate that MAKER-P can be used to manage and improve the annotations of even Arabidopsis, perhaps the best-annotated plant genome. We have also installed and benchmarked MAKER-P on the Texas Advanced Computing Center. We show that this public resource can de novo annotate the entire Arabidopsis and maize genomes in less than 3 h and produce annotations of comparable quality to those of the current The Arabidopsis Information Resource 10 and maize V2 annotation builds.

Unicellular marine algae have promise for providing sustainable and scalable biofuel feedstocks, although no single species has emerged as a preferred organism. Moreover, adequate molecular and genetic resources prerequisite for the rational engineering of marine algal feedstocks are lacking for most candidate species. Heterokonts of the genus Nannochloropsis naturally have high cellular oil content and are already in use for industrial production of high-value lipid products. First success in applying reverse genetics by targeted gene replacement makes Nannochloropsis oceanica an attractive model to investigate the cell and molecular biology and biochemistry of this fascinating organism group. Here we present the assembly of the 28.7 Mb genome of N. oceanica CCMP1779. RNA sequencing data from nitrogen-replete and nitrogen-depleted growth conditions support a total of 11,973 genes, of which in addition to automatic annotation some were manually inspected to predict the biochemical repertoire for this organism. Among others, more than 100 genes putatively related to lipid metabolism, 114 predicted transcription factors, and 109 transcriptional regulators were annotated. Comparison of the N. oceanica CCMP1779 gene repertoire with the recently published N. gaditana genome identified 2,649 genes likely specific to N. oceanica CCMP1779. Many of these N. oceanica-specific genes have putative orthologs in other species or are supported by transcriptional evidence. However, because similarity-based annotations are limited, functions of most of these species-specific genes remain unknown. Aside from the genome sequence and its analysis, protocols for the transformation of N. oceanica CCMP1779 are provided. The availability of genomic and transcriptomic data for Nannochloropsis oceanica CCMP1779, along with efficient transformation protocols, provides a blueprint for future detailed gene functional analysis and genetic engineering of Nannochloropsis species by a growing academic community focused on this genus.

Sacred lotus is a basal eudicot with agricultural, medicinal, cultural and religious importance. It was domesticated in Asia about 7,000 years ago, and cultivated for its rhizomes and seeds as a food crop. It is particularly noted for its 1,300-year seed longevity and exceptional water repellency, known as the lotus effect. The latter property is due to the nanoscopic closely packed protuberances of its self-cleaning leaf surface, which have been adapted for the manufacture of a self-cleaning industrial paint, Lotusan. The genome of the China Antique variety of the sacred lotus was sequenced with Illumina and 454 technologies, at respective depths of 101× and 5.2×. The final assembly has a contig N50 of 38.8 kbp and a scaffold N50 of 3.4 Mbp, and covers 86.5% of the estimated 929 Mbp total genome size. The genome notably lacks the paleo-triplication observed in other eudicots, but reveals a lineage-specific duplication. The genome has evidence of slow evolution, with a 30% slower nucleotide mutation rate than observed in grape. Comparisons of the available sequenced genomes suggest a minimum gene set for vascular plants of 4,223 genes. Strikingly, the sacred lotus has 16 COG2132 multi-copper oxidase family proteins with root-specific expression; these are involved in root meristem phosphate starvation, reflecting adaptation to limited nutrient availability in an aquatic environment. The slow nucleotide substitution rate makes the sacred lotus a better resource than the current standard, grape, for reconstructing the pan-eudicot genome, and should therefore accelerate comparative analysis between eudicots and monocots.

Gibbons are small arboreal apes that display an accelerated rate of evolutionary chromosomal rearrangement and occupy a key node in the primate phylogeny between Old World monkeys and great apes. Here we present the assembly and analysis of a northern white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys) genome. We describe the propensity for a gibbon-specific retrotransposon (LAVA) to insert into chromosome segregation genes and alter transcription by providing a premature termination site, suggesting a possible molecular mechanism for the genome plasticity of the gibbon lineage. We further show that the gibbon genera (Nomascus, Hylobates, Hoolock and Symphalangus) experienced a near-instantaneous radiation ∼5 million years ago, coincident with major geographical changes in southeast Asia that caused cycles of habitat compression and expansion. Finally, we identify signatures of positive selection in genes important for forelimb development (TBX5) and connective tissues (COL1A1) that may have been involved in the adaptation of gibbons to their arboreal habitat. The genome of the gibbon, a tree-dwelling ape from Asia positioned between Old World monkeys and the great apes, is presented, providing insights into the evolutionary history of gibbon species and their accelerated karyotypes, as well as evidence for selection of genes such as those for forelimb development and connective tissue that may be important for locomotion through trees. The many species of gibbons are small, tree-living apes from Southeast Asia, most of them listed as 'endangered' or 'critically endangered' on the IUCN list. In their presentation of the genome of the northern white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys) , Lucia Carbone and colleagues provide intriguing insights into the biology and evolutionary history of a group that straddles the divide between Old World monkeys and the great apes. The authors investigate how a novel gibbon-specific retrotransposon might be the source of gibbons' genome plasticity. Rapid karyotype evolution combined with multiple episodes of climate and environmental change might explain the almost instantaneous divergence of the four gibbon genera. Positive selection on genes involved in forelimb development and connective tissue might have been related to gibbons' unique mode of locomotion in the tropical canopy.

Coo Coo Charles Darwin was fascinated by the domestic rock pigeon and used this dramatic example of diversity within a species to communicate his ideas about natural selection. Many derived traits in domestic pigeons converge on ecologically and evolutionarily relevant traits in wild species. Shapiro et al. (p. 1063 , published online 31 January; see the cover) sequenced the genome of the domestic rock pigeon ( Columba livia ), along with those of 36 breeds and two feral accessions and its sister species, the hill pigeon ( C. rupestris ). The results reveal the underlying genetics of the head crest and suggest that all crested breeds may have originated from a single mutational event.