Sea anemones are seemingly primitive animals that, along with corals, jellyfish, and hydras, constitute the oldest eumetazoan phylum, the Cnidaria. Here, we report a comparative analysis of the draft genome of an emerging cnidarian model, the starlet sea anemone Nematostella vectensis . The sea anemone genome is complex, with a gene repertoire, exon-intron structure, and large-scale gene linkage more similar to vertebrates than to flies or nematodes, implying that the genome of the eumetazoan ancestor was similarly complex. Nearly one-fifth of the inferred genes of the ancestor are eumetazoan novelties, which are enriched for animal functions like cell signaling, adhesion, and synaptic transmission. Analysis of diverse pathways suggests that these gene “inventions” along the lineage leading to animals were likely already well integrated with preexisting eukaryotic genes in the eumetazoan progenitor.

Abstract Draft genome sequences of non-bilaterian species have provided important insights into the evolution of the metazoan gene repertoire. However, there is little information about the evolution of gene clusters, genome architectures and karyotypes during animal evolution. In this regard, slowly evolving anthozoan Cnidaria, the sister group of Bilateria, are particularly informative. Here we report chromosome-level genome assemblies of two related cnidarians, the sea anemones Nematostella vectensis and Scolanthus callimorphus . We find a robust set of 15 chromosomes with a clear one-to-one correspondence between the two species. Both sea anemone genomes show remarkable chromosomal conservation with other cnidarians, several bilaterians and the sponge Ephydatia muelleri , allowing us to reconstruct ancestral cnidarian and metazoan chromosomal blocks, consisting of at least 19 and 16 ancestral linkage groups, respectively. We show that, in contrast to Bilateria, the Hox and NK clusters of investigated cnidarians are largely disintegrated, despite the presence of staggered hox/gbx expression in Nematostella . This loss of microsynteny conservation may be facilitated by shorter distances between cis-regulatory sequences and their cognate transcriptional start sites. In line with that, we find no clear evidence for topologically associated domains, suggesting fundamental differences in long-range gene regulation compared to vertebrates. These data suggest that large sets of ancestral metazoan genes have been retained in ancestral linkage groups of some extant lineages, yet, higher order gene regulation with associated 3D architecture may have evolved only after the cnidarian-bilaterian split.

SUMMARY Communication in bilaterian nervous systems is mediated by electrical and secreted signals, however, the evolutionary origin and relation of neurons to other secretory cell types has not been elucidated. Here we use developmental single cell RNA-sequencing in the cnidarian Nematostella vectensis , representing an early evolutionary lineage with a simple nervous system. Validated by transgenics, we demonstrate that neurons, stinging cells, and gland cells arise from a common multipotent progenitor population. We identify the conserved transcription factor gene SoxC as a key upstream regulator of all neurosecretory lineages and demonstrate that SoxC knockdown eliminates both neuronal and secretory cell types. While in vertebrates and many other bilaterians neurogenesis is largely restricted to early developmental stages, we show that in the sea anemone differentiation of neurosecretory cells is maintained throughout all life stages, and follows the same molecular trajectories from embryo to adulthood, ensuring lifelong homeostasis of neurosecretory cell lineages.

Abstract In animals, body axis patterning is based on the concentration-dependent interpretation of graded morphogen signals, which enables correct positioning of the anatomical structures. The most ancient axis patterning system acting across animal phyla relies on β-catenin signaling, which directs gastrulation, and patterns the main body axis. However, within Bilateria, the patterning logic varies significantly between protostomes and deuterostomes. To deduce the ancestral principles of β-catenin dependent axial patterning, we investigated the oral-aboral axis patterning in the sea anemone Nematostella - a member of the bilaterian sister group Cnidaria. Here we elucidate the regulatory logic by which more orally expressed β-catenin targets repress more aborally expressed β- catenin targets, and progressively restrict the initially global, maternally provided aboral identity. Similar regulatory logic of β-catenin-dependent patterning in Nematostella and deuterostomes suggests a common evolutionary origin of these processes.

Abstract BMP signaling has a conserved function in patterning the dorsal-ventral body axis in Bilateria and the directive axis in anthozoan cnidarians. So far, cnidarian studies have focused on the role of different BMP signaling network components in regulating pSMAD1/5 gradient formation. Much less is known about the target genes downstream of BMP signaling. To address this, we generated a genome-wide list of direct pSMAD1/5 target genes in the anthozoan Nematostella vectensis , several of which were conserved in Drosophila and Xenopus . Our ChIP-Seq analysis revealed that many of the regulatory molecules with documented bilaterally symmetric expression in Nematostella are directly controlled by BMP signaling. Among the so far uncharacterized BMP-dependent transcription factors and signaling molecules we identified several, whose bilaterally symmetric expression may be indicative of their involvement in secondary axis patterning. One of these molecules, zswim4-6 , encodes a novel nuclear modulator of the pSMAD1/5 gradient potentially promoting BMP-dependent gene repression. Strikingly, overexpression of the zebrafish homologue zswim5 suggests that its effect on the pSMAD1/5 gradient is conserved between anthozoan Cnidaria and Bilateria.

Abstract Endomesoderm specification based on a maternal β-catenin signal and axial patterning by interpreting a gradient of zygotic Wnt/β-catenin signalling was suggested to predate the split between Bilateria and their evolutionary sister Cnidaria. However, in Cnidaria, the roles of β-catenin signalling in both these processes have not been proven directly. Here, by tagging the endogenous β-catenin protein in the sea anemone Nematostella vectensis , we show that the oral-aboral axis in a cnidarian is indeed patterned by a gradient of β-catenin signalling. Unexpectedly, in a striking contrast to Bilateria, Nematostella endoderm specification takes place opposite to the part of the embryo, where β-catenin is translocated into the nuclei. This suggests that β-catenin-dependent endomesoderm specification is a Bilateria-specific co-option, which may have linked endomesoderm specification with the subsequent posterior-anterior patterning.

BMP signaling is responsible for the second body axis patterning in Bilateria and in the bilaterally symmetric members of the bilaterian sister clade Cnidaria - corals and sea anemones. However, medusozoan cnidarians (jellyfish, hydroids) are radially symmetric, and yet their genomes contain BMP signaling components. This evolutionary conservation suggests that BMP signaling must have other functions not related to axial patterning, which keeps BMP signaling components under selective pressure. To find out what these functions might be, we generated a detailed whole-body atlas of BMP activity in the sea anemone Nematostella. In the adult polyp, we discover an unexpected diversity of domains with BMP signaling activity, which is especially prominent in the head, as well as across the neuro-muscular and reproductive parts of the gastrodermis. In accordance, analysis of two medusozoan species, the true jellyfish Aurelia and the box jellyfish Tripedalia, revealed similarly broad and diverse BMP activity, supporting the versatile nature of the BMP pathway across anthozoan and medusozoan Cnidaria.

Abstract Canonical Wnt (cWnt) signaling is involved in a plethora of basic developmental processes such as endomesoderm specification, gastrulation and patterning the main body axis. To activate the signal, Wnt ligands form complexes with LRP5/6 and Frizzled receptors, which leads to nuclear translocation of β-catenin and transcriptional response. In Bilateria, the expression of different Frizzled genes is often partially overlapping, and their functions are known to be redundant in several developmental contexts. Here we demonstrate that all four Frizzled receptors take part in the cWnt-mediated oral-aboral axis patterning in the cnidarian Nematostella vectensis but show partially redundant functions. However, we do not see evidence for their involvement in the specification of the endoderm – an earlier event likely relying on maternal, intracellular β-catenin signaling components. Finally, we demonstrate that the main Wnt ligands crucial for the early oral-aboral patterning are Wnt3 and Wnt4. Comparison of our data to the knowledge from other models suggests that distinct but overlapping expression domains and partial functional redundancy of cnidarian and bilaterian Frizzled genes may represent a shared ancestral trait.

Abstract BMP signaling patterns secondary body axes throughout Bilateria and, strikingly, in the bilaterally symmetric corals and sea anemones – members of the bilaterian sister clade Cnidaria. It has been suggested that the secondary, “directive” axis in the sea anemone Nematostella vectensis requires Chordin-mediated “shuttling” of BMP ligands, like in Drosophila or frog, however, an alternative “local inhibition” model is also possible. To choose between these two options, we generated localized Chordin sources in the Chordin morphant background and showed that in the presence of BMP ligands in Nematostella , mobile Chordin is necessary and sufficient to establish a peak of BMP signaling at the side of the embryo opposing the Chordin source. In contrast, membrane-tethered Chordin-CD2 promotes weak BMP signaling within the Chordin-CD2 source. These results provide the first mechanistic evidence for BMP shuttling in a cnidarian and suggest that BMP shuttling may have been functional in the cnidarian-bilaterian ancestor.