Tunicates are the sister group to the vertebrates, yet most species have a life cycle split between swimming larva and sedentary adult phases. During metamorphosis, larval neurons are replaced by adult-specific ones. The regulatory mechanisms underlying this replacement remain largely unknown. Using tissue-specific CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis in the tunicate Ciona, we show that orthologs of conserved hindbrain and branchiomeric neuron regulatory factors Pax2/5/8 and Phox2 are required to specify the 'neck', a cellular compartment set aside in the larva to give rise to cranial motor neuron-like neurons post-metamorphosis. Using bulk and single-cell RNA-sequencing analyses, we characterize the transcriptome of the neck downstream of Pax2/5/8. We present evidence that neck-derived adult ciliomotor neurons begin to differentiate in the larva and persist through metamorphosis, contrary to the assumption that the adult nervous system is formed after settlement and the death of larval neurons during metamorphosis. Finally, we show that FGF signaling during the larval phase alters the patterning of the neck and its derivatives. Suppression of FGF converts neck cells into larval neurons that fail to survive metamorphosis, whereas prolonged FGF signaling promotes an adult neural stem cell-like fate.

Abstract The papillae of tunicate larvae contribute sensory, adhesive, and metamorphosis-regulating functions that are crucial for the biphasic lifestyle of these marine, non-vertebrate chordates. We have identified additional molecular markers for at least five distinct cell types in the papillae of the model tunicate Ciona, allowing us to further study the development of these organs. Using tissue-specific CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis and other molecular perturbations, we reveal the roles of key transcription factors and signaling pathways that are important for patterning the papilla territory into a highly organized array of different cell types and shapes. We further test the contributions of different transcription factors and cell types to the production of the adhesive glue that allows for larval attachment during settlement, and to the processes of tail retraction and body rotation during metamorphosis. With this study, we continue working towards connecting gene regulation to cellular functions that control the developmental transition between the motile larva and sessile adult of Ciona .

The CRISPR/Cas9 system has emerged as an important tool for various genome engineering applications. A current obstacle to high throughput applications of CRISPR/Cas9 is the imprecise prediction of highly active single guide RNAs (sgRNAs). We previously implemented the CRISPR/Cas9 system to induce tissue-specific mutations in the tunicate Ciona. In the present study, we designed and tested 83 single guide RNA (sgRNA) vectors targeting 23 genes expressed in the cardiopharyngeal progenitors and surrounding tissues of Ciona embryo. Using high-throughput sequencing of mutagenized alleles, we identified guide sequences that correlate with sgRNA mutagenesis activity and used this information for the rational design of all possible sgRNAs targeting the Ciona transcriptome. We also describe a one-step cloning-free protocol for the assembly of sgRNA expression cassettes. These cassettes can be directly electroporated as unpurified PCR products into Ciona embryos for sgRNA expression in vivo, resulting in high frequency of CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis in somatic cells of electroporated embryos. We found a strong correlation between the frequency of an Ebf loss-of-function phenotype and the mutagenesis efficacies of individual Ebf-targeting sgRNAs tested using this method. We anticipate that our approach can be scaled up to systematically design and deliver highly efficient sgRNAs for the tissue-specific investigation of gene functions in Ciona.

In embryos, multipotent progenitors divide to produce distinct progeny and express their full potential. In vertebrates, multipotent cardiopharyngeal progenitors produce second-heart-field-derived cardiomyocytes, and branchiomeric skeletal head muscles. However, the mechanisms underlying these early fate choices remain largely elusive. The tunicate Ciona emerged as an attractive model to study early cardiopharyngeal development at high resolution: through two asymmetric and oriented divisions, defined cardiopharyngeal progenitors produce distinct first and second heart precursors, and pharyngeal muscle (aka atrial siphon muscle, ASM) precursors. Here, we demonstrate that differential FGF-MAPK signaling distinguishes between heart and ASM precursors. We characterize a feed-forward circuit that promotes the successive activations of essential ASM determinants, Hand-related, Tbx1/10 and Ebf. Finally, we show that coupling FGF-MAPK restriction and cardiopharyngeal network deployment with cell divisions defines the timing of gene expression and permits the emergence of diverse cell types from multipotent progenitors.

The bipolar tail neurons (BTNs) of Ciona develop according to a highly dynamic, yet highly stereotyped developmental program and thus could serve as an accessible model system for neuronal delamination, migration, and polarized axon outgrowth. Here we used FACS/RNAseq to profile the transcriptional output of Neurogenin in the BTNs, searching for candidate effectors of BTN cell behaviors. We identified several candidate genes that might play conserved roles in similar cell behaviors in other animals, including mammals. Among the more interesting candidates were several microtubule-binding proteins and TGFβ pathway antagonists. A small Gαi subunit was also found to be upregulated in migrating BTNs, and interfering with its function through expression of a dominant negative inhibited delamination and a complete epithelial-to-mesenchymal transition. We propose models for the regulation of BTN behaviors by the identified candidate effectors, establishing a foundation for testing effector gene functions that might be conserved in chordate neurodevelopment.

Tunicates are the sister group to the vertebrates, yet most species have a life cycle split between swimming larva and sedentary adult phases. During metamorphosis, larval neurons are largely replaced by adult-specific ones. Yet the regulatory mechanisms underlying this neural replacement remain largely unknown. Using tissue-specific CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis in the tunicate Ciona, we show that orthologs of conserved hindbrain and branchiomeric neuron regulatory factors Pax2/5/8 and Phox2 are required to specify the "Neck", a compartment of cells set aside in the larva to give rise to cranial motor neuron-like neurons in the adult. Using bulk and single-cell RNAseq analyses, we also characterize the transcriptome of the Neck downstream of Pax2/5/8. Surprisingly, we find that Neck-derived adult ciliomotor neurons begin to differentiate in the larva, contrary to the long-held assumption that the adult nervous system is formed only after settlement and the death of larval neurons during metamorphosis. Finally, we show that manipulating FGF signaling during the larval phase alters the patterning of the Neck and its derivatives. Suppression of FGF converts Neck cells into larval neurons that fail to survive metamorphosis, while prolonged FGF signaling promotes an adult neural stem cell-like fate instead.