ABSTRACT The evolutionary origin of the vertebrate telencephalon remains unsolved. A major challenge has been the identification of homologous brain parts in invertebrate chordates. Here we report evidence for a telencephalic region in the brain of amphioxus, the most basally branching invertebrate chordate. This region is characterised, like its vertebrate counterpart, by the combined expression of the telencephalic markers FoxG1, Emx and Lhx2/9 . It is located at the anterior neural border and dorsal-ventrally patterned, as in vertebrates, by the antagonistic expression of Pax4/6 and Nkx2.1 , and a ventral Hh signal. This part of the brain develops only after metamorphosis via sustained proliferation of neuronal progenitors at the ventricular zone. This is concomitant with a massive expansion of late differentiating neuronal types as revealed by neuropeptide and neurotransmitter profiling. Overall, our results suggest that the adult amphioxus brain shows remarkable similarities to the vertebrate embryonic brain, thus providing a key missing link in understanding the invertebrate-to-vertebrate transition in chordate brain evolution.

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 Biomedical research relies heavily on the use of model organisms to gain insight into human health and development. Traditionally, the mouse has been the favored vertebrate model, due to its experimental and genetic tractability. Non-rodent embryological studies however highlight that many aspects of early mouse development, including the egg-cylinder topology of the embryo and its method of implantation, diverge from other mammals, thus complicating inferences about human development. In this study, we constructed a morphological and molecular atlas of rabbit development, which like the human embryo, develops as a flat-bilaminar disc. We report transcriptional and chromatin accessibility profiles of almost 180,000 single cells and high-resolution histology sections from embryos spanning gastrulation, implantation, amniogenesis, and early organogenesis. Using a novel computational pipeline, we compare the transcriptional landscape of rabbit and mouse at the scale of the entire organism, revealing that extra-embryonic tissues, as well as gut and PGC cell types, are highly divergent between species. Focusing on these extra-embryonic tissues, which are highly accessible in the rabbit, we characterize the gene regulatory programs underlying trophoblast differentiation and identify novel signaling interactions involving the yolk sac mesothelium during hematopoiesis. Finally, we demonstrate how the combination of both rabbit and mouse atlases can be leveraged to extract new biological insights from sparse macaque and human data. The datasets and analysis pipelines reported here set a framework for a broader cross-species approach to decipher early mammalian development, and are readily adaptable to deploy single cell comparative genomics more broadly across biomedical research.

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.

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.

During development, embryonic tissues are formed by the dynamic behaviours of their constituent cells, whose collective actions are tightly regulated in space and time. To understand such cell behaviours and how they have evolved, it is necessary to develop quantitative approaches to map out morphogenesis, so comparisons can be made across different tissues and organisms. With this idea in mind, here we sought to investigate ancestral principles of notochord development, by building a quantitative portrait of notochord morphogenesis in the amphioxus embryo, a basally-branching member of the chordate phylum. To this end, we developed a single-cell morphometrics pipeline to comprehensively catalogue the morphologies of thousands of notochord cells, and to project them simultaneously into a common mathematical space termed morphospace. This approach revealed complex patterns of cell-type specific shape trajectories, akin to those obtained using single-cell genomic approaches. By spatially mapping single-cell shape trajectories in whole segmented notochords, we found evidence of spatial and temporal variation in developmental dynamics. Such variations included temporal gradients of morphogenesis across the anterior-posterior embryonic axis, divergence of trajectories to different morphologies, and the convergence of different trajectories onto common morphologies. Through geometric simulations, we also identified an antagonistic relationship between cell shape regulation and growth that enables convergent extension to occur in two steps. First, by allowing growth to counterbalance loss of anterior-posterior cell length during cell intercalation. Secondly, by allowing growth to further increase cell length once cells have intercalated and aligned to the axial midline, thereby facilitating a second phase of tissue elongation. Finally, we show that apart from a complex coordination of individual cellular behaviours, posterior addition from proliferating progenitors is essential for full notochord elongation in amphioxus, a mechanism previously described only in vertebrates. This novel approach to quantifying morphogenesis paves the way towards comparative studies, and mechanistic explanations for the emergence of form over developmental and evolutionary time scales.