Abstract The evolutionary origin of the vertebrate brain is still a major subject of debate. Its distinctive dorsal position and development from a tubular neuroepithelium are unique to the chordate phylum. Conversely, apical organs (AO) are larval sensory/neurosecretory centers found in many invertebrate taxa, including in animals without a brain. Previous studies have shown that AOs are specified by a conserved set of genes under the influence of Wnt signalling. Although most of these genes are expressed in chordate nervous systems (including vertebrates), no AOs have ever been described in this group of animals. Here we have exploited single-cell genomic approaches to characterize cells showing AO profiles in sea urchin (ambulacrarian), amphioxus (invertebrate chordate) and zebrafish (vertebrate chordate). This, in combination with co-expression analysis in amphioxus embryos, has allowed us to identify an active and dynamic anterior Gene Regulatory Network (aGRN) in the three deuterostome species. We have further discovered that as well as controlling AO specification in sea urchin, this aGRN is involved in the formation of the hypothalamic region in amphioxus and zebrafish. Using a functional approach, we find that the aGRN is controlled by Wnt signalling in amphioxus, and that suppression of the aGRN by Wnt overactivation leads to a loss of forebrain cell types. The loss of the forebrain does not equate to a reduction of neuronal tissue, but to a loss of identity, suggesting a new role for Wnt in amphioxus in specifically positioning the forebrain. We thus propose that the aGRN is conserved throughout bilaterians and that in the chordate lineage was incorporated into the process of neurulation to position the brain, thereby linking the evolution of the AO to that of the chordate forebrain.

Abstract The central nervous system of the cephalochordate amphioxus consists of a dorsal neural tube with an anterior brain. Two decades of gene expression analyses in developing amphioxus embryos have shown that despite the lack of overt segmentation the amphioxus neural tube is highly regionalized at the molecular level. However, little is known about the mechanisms that generate such precise regionalization. Proliferation is a key driver of pattern formation and cell type diversification, but in amphioxus it has never been studied in detail nor in the specific context of neurogenesis. Here, we describe the dynamics of cell division during the formation of the central nervous system in amphioxus embryos and its contributions to the regionalization of the neural axis. We show that after gastrulation, proliferation pauses to become spatially restricted to the anterior and posterior ends of the neural tube at neurula stages. Only at the onset of larval life, proliferation resumes in the central part of the nervous system. By marking specific populations and inhibiting cell division during neurulation, we demonstrate that proliferation in the anterior cerebral vesicle is required to establish the full cell type repertoire of the frontal eye complex and the putative hypothalamic region of the amphioxus brain, while posterior proliferating progenitors, which were found here to derive from the dorsal lip of the blastopore, contribute to elongate the caudal floor plate. Between these proliferative domains, we find trunk nervous system differentiation is independent from cell division, which decreases during neurulation and resumes at the early larval stage. Taken together, our results highlight multiple roles for proliferation in shaping the amphioxus nervous system.

Crinoids belong to the Echinodermata, marine invertebrates with a highly derived adult pentaradial body plan. As the sister group to all other extant echinoderms, crinoids occupy a key phylogenetic position to explore the evolutionary history of the whole phylum. However, their development remains understudied compared with that of other echinoderms. Therefore, the aim here was to establish the Mediterranean feather star ( Antedon mediterranea ) as an experimental system for developmental biology. We first set up a method for culturing embryos in vitro and defined a standardized staging system for this species. We then optimized protocols to characterize the morphological and molecular development of the main structures of the feather star body plan. Focusing on the nervous system, we showed that the larval apical organ includes serotonergic, GABAergic and glutamatergic neurons, which develop within a conserved anterior molecular signature. We described the composition of the early post-metamorphic nervous system and revealed that it has an anterior signature. These results further our knowledge on crinoid development and provide new techniques to investigate feather star embryogenesis. This will pave the way for the inclusion of crinoids in comparative studies addressing the origin of the echinoderm body plan and the evolutionary diversification of deuterostomes.

Abstract Background Crinoids belong to the phylum Echinodermata, marine invertebrates with a highly derived pentaradial body plan. As the only living members of the Pelmatozoa, the sister group to other extant echinoderms, crinoids are in a key phylogenetic position to reconstruct the evolutionary history of this phylum. However, the development of crinoids has been scarcely investigated, limiting their potential for comparative studies. Many crinoids are difficult to collect in the wild and embryo manipulation is challenging. Conversely, the Mediterranean feather star Antedon mediterranea can be found in shallow waters and has been used for experimental studies, most notably to investigate regeneration. Results The aim here was to establish A. mediterranea as an experimental system for developmental biology. To accomplish this, we set up a method for culturing embryos in vitro from zygote to hatching larva stage that allowed us to define a developmental timeline and a standardized staging system for this species. We then optimized protocols to characterize the development of the main structures of the feather star body plan, using a combination of microscopy techniques and whole mount immunohistochemistry and in situ hybridization chain reaction. Focusing on the nervous system, we show that the larval apical organ includes a combination of serotonergic, GABAergic and glutamatergic neurons that form under the influence of a conserved anterior molecular signature. The larval neural plexus is instead composed of glutamatergic neurons and develops during the formation of the ciliary bands. Larval neurons disappear at metamorphosis, and the ectoneural and entoneural components of the adult nervous system develop early in post-metamorphic stages. Furthermore, the oral ectoderm that contains the ectoneural system acquires an “anterior” signature expressing Six3/6 and Lhx2/9 orthologs. Conclusions Our results deepen our knowledge on crinoid development and provide new techniques to investigate feather star embryogenesis, promoting the use of A. mediterranea in developmental and evolutionary biology. This in turn will pave the way for the inclusion of crinoids in comparative studies to understand the origin of the echinoderm body plan and clarify many unanswered questions on deuterostome evolution.

Summary Vertebrate calcitonin-producing cells (C-cells) are neuroendocrine cells that secrete the small peptide hormone calcitonin in response to elevated blood calcium levels. C-cells are crucial for maintenance of calcium homeostasis, yet the embryonic and evolutionary origins of this cell type remain contentious. Whereas mouse C-cells reside within the thyroid gland and derive from pharyngeal endoderm, avian C-cells are located within ultimobranchial glands and were reported to derive from the neural crest. We use a comparative cell lineage tracing approach in a range of vertebrate model systems to resolve the ancestral embryonic origin of vertebrate C-cells. We find, contrary to previous studies, that chick C-cells derive from pharyngeal endoderm, with neural crest-derived cells instead contributing to connective tissue intimately associated with C-cells in the ultimobranchial gland. This endodermal origin of C-cells is conserved in a ray-finned bony fish (zebrafish) and a cartilaginous fish (the little skate, Leucoraja erinacea ). Furthermore, we discover putative C-cell homologues within the endodermally-derived pharyngeal epithelium of the ascidian Ciona intestinalis and the amphioxus Branchiostoma lanceolatum , two invertebrate chordates that lack neural crest cells. Our findings point to a conserved endodermal origin of C-cells across vertebrates and to a pre-vertebrate origin of this cell type along the chordate stem.