Abstract Megabase-scale intervals of active, gene-rich and inactive, gene-poor chromatin are known to segregate, forming the A and B compartments. Fine mapping of the contents of these A and B compartments has been hitherto impossible, owing to the extraordinary sequencing depths required to distinguish between the long-range contact patterns of individual loci, and to the computational complexity of the associated calculations. Here, we generate the largest published in situ Hi-C map to date, spanning 33 billion contacts. We also develop a computational method, dubbed PCA of Sparse, SUper Massive Matrices (POSSUMM), that is capable of efficiently calculating eigenvectors for sparse matrices with millions of rows and columns. Applying POSSUMM to our Hi-C dataset makes it possible to assign loci to the A and B compartment at 500 bp resolution. We find that loci frequently alternate between compartments as one moves along the contour of the genome, such that the median compartment interval is only 12.5 kb long. Contrary to the findings in coarse-resolution compartment profiles, we find that individual genes are not uniformly positioned in either the A compartment or the B compartment. Instead, essentially all (95%) active gene promoters localize in the A compartment, but the likelihood of localizing in the A compartment declines along the body of active genes, such that the transcriptional termini of long genes (>60 kb) tend to localize in the B compartment. Similarly, nearly all active enhancers elements (95%) localize in the A compartment, even when the flanking sequences are comprised entirely of inactive chromatin and localize in the B compartment. These results are consistent with a model in which DNA-bound regulatory complexes give rise to phase separation at the scale of individual DNA elements.

Abstract Hi-Culfite, a protocol combining Hi-C and whole-genome bisulfite sequencing (WGBS), determines chromatin contacts and DNA methylation simultaneously. Hi-Culfite also reveals relationships that cannot be seen when the two assays are performed separately. For instance, we show that loci associated with open chromatin exhibit context-sensitive methylation: when their spatial neighbors lie in closed chromatin, they are much more likely to be methylated.

Abstract We use data-driven physical simulations to study the three-dimensional architecture of the Aedes aegypti genome. Hi-C maps exhibit both a broad diagonal and compart-mentalization with telomeres and centromeres clustering together. Physical modeling reveals that these observations correspond to an ensemble of 3D chromosomal structures that are folded over and partially condensed. Clustering of the centromeres and telomeres near the nuclear lamina appears to be a necessary condition for the formation of the observed structures. Further analysis of the mechanical properties of the genome reveals that the chromosomes of Aedes aegypti , by virtue of their atypical structural organization, are highly sensitive to the deformation of the nuclei. This last finding provides a possible physical mechanism linking mechanical cues to gene regulation.

Analyses of ancient DNA typically involve sequencing the surviving short oligonucleotides and aligning to genome assemblies from related, modern species. Here, we report that skin from a female woolly mammoth (†Mammuthus primigenius) that died 52,000 years ago retained its ancient genome architecture. We use PaleoHi-C to map chromatin contacts and assemble its genome, yielding 28 chromosome-length scaffolds. Chromosome territories, compartments, loops, Barr bodies, and inactive X chromosome (Xi) superdomains persist. The active and inactive genome compartments in mammoth skin more closely resemble Asian elephant skin than other elephant tissues. Our analyses uncover new biology. Differences in compartmentalization reveal genes whose transcription was potentially altered in mammoths vs. elephants. Mammoth Xi has a tetradic architecture, not bipartite like human and mouse. We hypothesize that, shortly after this mammoth's death, the sample spontaneously freeze-dried in the Siberian cold, leading to a glass transition that preserved subfossils of ancient chromosomes at nanometer scale.

Abstract Sweat bees have repeatedly gained and lost eusociality, a transition from individual to group reproduction. Here, we generate chromosome-length genome assemblies for 17 species and identify genomic signatures of evolutionary trade-offs associated with transitions between social and solitary living. Both young genes and regulatory regions show enrichment for these molecular patterns. We also identify loci that show evidence of complementary signals of positive and relaxed selection linked specifically to the convergent gains and losses of eusociality in sweat bees. This includes two proteins that bind and transport juvenile hormone (JH) – a key regulator of insect development and reproduction. We find one of these JH binding proteins is primarily expressed in subperineurial glial cells that form the insect blood-brain barrier and that brain levels of JH vary by sociality. Our findings are consistent with a role of JH in modulating social behavior and suggest eusocial evolution was facilitated by alteration of the proteins that bind and transport JH, revealing how an ancestral, developmental hormone may have been co-opted during one of life’s major transitions. More broadly, our results highlight how trade-offs have structured the molecular basis of eusociality in these bees and demonstrate how both directional selection and release from constraint can shape trait evolution.

Abstract Background Basenjis are considered an ancient dog breed of central African origins that still live and hunt with tribesmen in the African Congo. Nicknamed the barkless dog, Basenjis possess unique phylogeny, geographical origins and traits, making their genome structure of great interest. The increasing number of available canid reference genomes allows us to examine the impact the choice of reference genome makes with regard to reference genome quality and breed relatedness. Results Here, we report two high quality de novo Basenji genome assemblies: a female, China (CanFam_Bas), and a male, Wags. We conduct pairwise comparisons and report structural variations between assembled genomes of three dog breeds: Basenji (CanFam_Bas), Boxer (CanFam3.1) and German Shepherd Dog (GSD) (CanFam_GSD). CanFam_Bas is superior to CanFam3.1 in terms of genome contiguity and comparable overall to the high quality CanFam_GSD assembly. By aligning short read data from 58 representative dog breeds to three reference genomes, we demonstrate how the choice of reference genome significantly impacts both read mapping and variant detection. Conclusions The growing number of high-quality canid reference genomes means the choice of reference genome is an increasingly critical decision in subsequent canid variant analyses. The basal position of the Basenji makes it suitable for variant analysis for targeted applications of specific dog breeds. However, we believe more comprehensive analyses across the entire family of canids is more suited to a pangenome approach. Collectively this work highlights the importance the choice of reference genome makes in all variation studies.

Abstract The dingo is Australia’s iconic top-order predator and arrived on the continent between 5,000-8,000 years ago. To provide an unbiased insight into its evolutionary affiliations and biological interactions, we coupled long-read DNA sequencing with a multiplatform scaffolding approach to produce an ab initio genome assembly of the desert dingo (85X coverage) we call CanLup_DDS. We compared this genome to the Boxer (CanFam3.1) and German Shepherd dog (CanFam_GSD) assemblies and characterized lineage-specific and shared genetic variation ranging from single– to megabase pair–sized variants. We identified 21,483 dingo-specific and 16,595 domestic dog-specific homozygous structural variants mediating genic and putative regulatory changes. Comparisons between the dingo and domestic dog builds detected unique inversions on Chromosome 16, structural variations in genes linked with starch metabolism, and seven differentially methylated genes. To experimentally assess genomic differences 17 dingoes and 15 German Shepherd dogs were fed parallel diets for 14 days. In dingoes, low AMY2B copy number and serum amylase levels are linked with high cholesterol and LDL levels. Gut microbiome analyses revealed enrichment of the family Clostridiaceae , which can utilize complex resistant starch, while scat metabolome studies identified high phenylethyl alcohol concentrations that we posit are linked with territory marking. Our study provides compelling genomic, microbiome, and metabolomic links showing the dingo has distinct physiology from domestic breed dogs with a unique role in the ecosystem.

Hi-C contact maps are valuable for genome assembly (Lieberman-Aiden, van Berkum et al. 2009; Burton et al. 2013; Dudchenko et al. 2017). Recently, we developed Juicebox, a system for the visual exploration of Hi-C data (Durand, Robinson et al. 2016), and 3D-DNA, an automated pipeline for using Hi-C data to assemble genomes (Dudchenko et al. 2017). Here, we introduce "Assembly Tools," a new module for Juicebox, which provides a point-and-click interface for using Hi-C heatmaps to identify and correct errors in a genome assembly. Together, 3D-DNA and the Juicebox Assembly Tools greatly reduce the cost of accurately assembling complex eukaryotic genomes. To illustrate, we generated de novo assemblies with chromosome-length scaffolds for three mammals: the wombat, Vombatus ursinus (3.3Gb), the Virginia opossum, Didelphis virginiana (3.3Gb), and the raccoon, Procyon lotor (2.5Gb). The only inputs for each assembly were Illumina reads from a short insert DNA-Seq library (300 million Illumina reads, maximum length 2x150 bases) and an in situ Hi-C library (100 million Illumina reads, maximum read length 2x150 bases), which cost <$1000.

Captive populations provide a valuable insurance against extinctions in the wild. However, they are also vulnerable to the negative impacts of inbreeding, selection and drift. Genetic information is therefore considered a critical aspect of conservation management planning. Recent developments in sequencing technologies have the potential to improve the outcomes of management programmes however, the transfer of these approaches to applied conservation has been slow. The scimitar-horned oryx ( Oryx dammah ) is a North African antelope that has been extinct in the wild since the early 1980s and is the focus of a long-term reintroduction project. To enable the selection of suitable founder individuals, facilitate post-release monitoring and improve captive breeding management, comprehensive genomic resources are required. Here, we used 10X Chromium sequencing together with Hi-C contact mapping to develop a chromosomal-level genome assembly for the species. The resulting assembly contained 29 chromosomes with a scaffold N50 of 100.4 Mb, and displayed strong chromosomal synteny with the cattle genome. Using resequencing data from six additional individuals, we demonstrated relatively high genetic diversity in the scimitar-horned oryx compared to other mammals, despite it having experienced a strong founding event in captivity. Additionally, the level of diversity across populations varied according to management strategy. Finally, we uncovered a dynamic demographic history that coincided with periods of climate variation during the Pleistocene. Overall, our study provides a clear example of how genomic data can uncover valuable insights into captive populations and contributes important resources to guide future management decisions of an endangered species.

Abstract Patterns of genomic architecture across insects remain largely undocumented or decoupled from a broader phylogenetic context. For instance, it is unknown whether translocation rates differ between insect orders? We address broad scale patterns of genome architecture across Insecta by examining synteny in a phylogenetic framework from open source insect genomes. To accomplish this, we add a chromosome level genome to a crucial lineage, Coleoptera. Our assembly of the Pachyrhynchus sulphureomaculatus genome is the first chromosome scale genome for the hyperdiverse Phytophaga lineage and currently the largest insect genome assembled to this scale. The genome is significantly larger than those of other weevils, and this increase in size is caused by repetitive elements. Our results also indicate that, among beetles, there are instances of long-lasting (>200 Ma) localization of genes to a particular chromosome with few translocation events. While some chromosomes have a paucity of translocations, intra-chromosomal synteny was almost absent, with gene order thoroughly shuffled along a chromosome. To place our findings in an evolutionary context, we compared syntenic patterns across Insecta. We find that synteny largely scales with clade age, with younger clades, such as Lepidoptera, having especially high synteny. However, we do find subtle differences in the maintenance of synteny and its rate of decay among the insect orders.