Olfaction relies on a coordinated partnership between odorant flow and neuronal communication. Disruption in our ability to detect odors, or anosmia, has emerged as a hallmark symptom of infection with SARS-CoV-2, yet the mechanism behind this abrupt sensory deficit remains elusive. Here, using molecular evaluation of human olfactory epithelium (OE) from subjects succumbing to COVID-19 and a hamster model of SARS-CoV-2 infection, we discovered widespread downregulation of olfactory receptors (ORs) as well as key components of their signaling pathway. OR downregulation likely represents a non-cell autonomous effect, since SARS-CoV-2 detection in OSNs is extremely rare both in human and hamster OEs. A likely explanation for the reduction of OR transcription is the striking reorganization of nuclear architecture observed in the OSN lineage, which disrupts multi-chromosomal compartments regulating OR expression in humans and hamsters. Our experiments uncover a novel molecular mechanism by which a virus with a very selective tropism can elicit persistent transcriptional changes in cells that evade it, contributing to the severity of COVID-19.

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.

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 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 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 During mouse embryogenesis, expression of the lncRNA Airn induces gene silencing and recruits Polycomb Repressive Complexes (PRCs) to varying extents over a 15 megabase domain. The mechanisms remain unclear. Using high-resolution approaches, we show in mouse trophoblast stem cells that Airn expression induces long-range changes to chromatin architecture that coincide with PRC-directed modifications and center around CpG island promoters that contact the Airn locus even in the absence of Airn expression. Intensity of contact between Airn lncRNA and target chromatin correlated with underlying intensity of PRC-directed chromatin modifications. Deletion of CpG islands that form contacts with Airn altered long-distance silencing and PRC activity in a manner that correlated with changes in chromatin architecture. We conclude that Airn is a potent cis -acting lncRNA whose primary functions of transcriptional repression and PRC recruitment are controlled by an equilibratory network of DNA regulatory elements that modulate its frequency of contact with target chromatin.

Abstract Background One difficulty in testing the hypothesis that the Australasian dingo is a functional intermediate between wild wolves and domesticated breed dogs is that there is no reference specimen. Here we link a high-quality de novo long read chromosomal assembly with epigenetic footprints and morphology to describe the Alpine dingo female named Cooinda. It was critical to establish an Alpine dingo reference because this ecotype occurs throughout coastal eastern Australia where the first drawings and descriptions were completed. Findings We generated a high-quality chromosome-level reference genome assembly (Canfam_ADS) using a combination of Pacific Bioscience, Oxford Nanopore, 10X Genomics, Bionano, and Hi-C technologies. Compared to the previously published Desert dingo assembly, there are large structural rearrangements on Chromosomes 11, 16, 25 and 26. Phylogenetic analyses of chromosomal data from Cooinda the Alpine dingo and nine previously published de novo canine assemblies show dingoes are monophyletic and basal to domestic dogs. Network analyses show that the mtDNA genome clusters within the southeastern lineage, as expected for an Alpine dingo. Comparison of regulatory regions identified two differentially methylated regions within glucagon receptor GCGR and histone deacetylase HDAC4 genes that are unmethylated in the Alpine dingo genome but hypermethylated in the Desert dingo. Morphological data, comprising geometric morphometric assessment of cranial morphology place dingo Cooinda within population-level variation for Alpine dingoes. Magnetic resonance imaging of brain tissue show she had a larger cranial capacity than a similar-sized domestic dog. Conclusions These combined data support the hypothesis that the dingo Cooinda fits the spectrum of genetic and morphological characteristics typical of the Alpine ecotype. We propose that she be considered the archetype specimen for future research investigating the evolutionary history, morphology, physiology, and ecology of dingoes. The female has been taxidermically prepared and is now at the Australian Museum, Sydney.

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.