Choanoflagellates are the closest known relatives of metazoans. To discover potential molecular mechanisms underlying the evolution of metazoan multicellularity, we sequenced and analysed the genome of the unicellular choanoflagellate Monosiga brevicollis. The genome contains approximately 9,200 intron-rich genes, including a number that encode cell adhesion and signalling protein domains that are otherwise restricted to metazoans. Here we show that the physical linkages among protein domains often differ between M. brevicollis and metazoans, suggesting that abundant domain shuffling followed the separation of the choanoflagellate and metazoan lineages. The completion of the M. brevicollis genome allows us to reconstruct with increasing resolution the genomic changes that accompanied the origin of metazoans. The genome sequence of the marine choanoflagellate Monosiga brevicollis has now been determined. Choanoflagellates are a mainly sessile group of protozoa resembling the 'feeding cells' of sponges, and are considered to be the closest living unicellular relatives of multicellular animals. Comparison of the M. brevicollis sequence with metazoan genomes suggests that the last unicellular ancestor of animals had intron-rich genes, some encoding protein domains characteristically associated with cell adhesion and the extracellular matrix in animals. This organism is strictly unicellular, but other choanoflagellates form colonies and may provide clues as to the origin of cell signalling and other systems in early metazoans.

In bilaterian animals, such as humans, flies and worms, hundreds of microRNAs (miRNAs), some conserved throughout bilaterian evolution, collectively regulate a substantial fraction of the transcriptome. In addition to miRNAs, other bilaterian small RNAs, known as Piwi-interacting RNAs (piRNAs), protect the genome from transposons. Here we identify small RNAs from animal phyla that diverged before the emergence of the Bilateria. The cnidarian Nematostella vectensis (starlet sea anemone), a close relative to the Bilateria, possesses an extensive repertoire of miRNA genes, two classes of piRNAs and a complement of proteins specific to small-RNA biology comparable to that of humans. The poriferan Amphimedon queenslandica (sponge), one of the simplest animals and a distant relative of the Bilateria, also possesses miRNAs, both classes of piRNAs and a full complement of the small-RNA machinery. Animal miRNA evolution seems to have been relatively dynamic, with precursor sizes and mature miRNA sequences differing greatly between poriferans, cnidarians and bilaterians. Nonetheless, miRNAs and piRNAs have been available as classes of riboregulators to shape gene expression throughout the evolution and radiation of animal phyla.

Resolving the early diversification of animal lineages has proven difficult, even using genome-scale datasets. Several phylogenomic studies have supported the classical scenario in which sponges (Porifera) are the sister group to all other animals ("Porifera-sister" hypothesis), consistent with a single origin of the gut, nerve cells, and muscle cells in the stem lineage of eumetazoans (bilaterians + ctenophores + cnidarians). In contrast, several other studies have recovered an alternative topology in which ctenophores are the sister group to all other animals (including sponges). The "Ctenophora-sister" hypothesis implies that eumetazoan-specific traits, such as neurons and muscle cells, either evolved once along the metazoan stem lineage and were then lost in sponges and placozoans or evolved at least twice independently in Ctenophora and in Cnidaria + Bilateria. Here, we report on our reconstruction of deep metazoan relationships using a 1,719-gene dataset with dense taxonomic sampling of non-bilaterian animals that was assembled using a semi-automated procedure, designed to reduce known error sources. Our dataset outperforms previous metazoan gene superalignments in terms of data quality and quantity. Analyses with a best-fitting site-heterogeneous evolutionary model provide strong statistical support for placing sponges as the sister-group to all other metazoans, with ctenophores emerging as the second-earliest branching animal lineage. Only those methodological settings that exacerbated long-branch attraction artifacts yielded Ctenophora-sister. These results show that methodological issues must be carefully addressed to tackle difficult phylogenetic questions and pave the road to a better understanding of how fundamental features of animal body plans have emerged.

The evolution of animals from a unicellular ancestor involved many innovations. Choanoflagellates, unicellular and colonial protozoa closely related to Metazoa, provide a potential window into early animal evolution. We have found that choanoflagellates express representatives of a surprising number of cell signaling and adhesion protein families that have not previously been isolated from nonmetazoans, including cadherins, C-type lectins, several tyrosine kinases, and tyrosine kinase signaling pathway components. Choanoflagellates have a complex and dynamic tyrosine phosphoprotein profile, and cell proliferation is selectively affected by tyrosine kinase inhibitors. The expression in choanoflagellates of proteins involved in cell interactions in Metazoa demonstrates that these proteins evolved before the origin of animals and were later co-opted for development.

In stark contrast to the rapid morphological radiation of eumetazoans during the Cambrian explosion, the simple body plan of sponges (Phylum Porifera) emerged from the Cambrian relatively unchanged. Although the genetic and developmental underpinnings of these disparate evolutionary outcomes are unknown, comparisons between modern sponges and eumetazoans promise to reveal the extent to which critical genetic factors were present in their common ancestors. Two particularly interesting classes of genes in this respect are those involved in cell signaling and adhesion. These genes help guide development and morphogenesis in modern eumetazoans, but the timing and sequence of their origins is unknown. Here, we demonstrate that the sponge Oscarella carmela , one of the earliest branching animals, expresses core components of the Wnt, transforming growth factor β, receptor tyrosine kinase, Notch, Hedgehog, and Jak/Stat signaling pathways. Furthermore, we identify sponge homologs of nearly every major eumetazoan cell-adhesion gene family, including those that encode cell-surface receptors, cytoplasmic linkers, and extracellular-matrix proteins. From these data, we infer that key signaling and adhesion genes were in place early in animal evolution, before the divergence of sponge and eumetazoan lineages.

Metazoan multicellularity is rooted in mechanisms of cell adhesion, signaling, and differentiation that first evolved in the progenitors of metazoans. To reconstruct the genome composition of metazoan ancestors, we sequenced the genome and transcriptome of the choanoflagellate Salpingoeca rosetta, a close relative of metazoans that forms rosette-shaped colonies of cells.A comparison of the 55 Mb S. rosetta genome with genomes from diverse opisthokonts suggests that the origin of metazoans was preceded by a period of dynamic gene gain and loss. The S. rosetta genome encodes homologs of cell adhesion, neuropeptide, and glycosphingolipid metabolism genes previously found only in metazoans and expands the repertoire of genes inferred to have been present in the progenitors of metazoans and choanoflagellates. Transcriptome analysis revealed that all four S. rosetta septins are upregulated in colonies relative to single cells, suggesting that these conserved cytokinesis proteins may regulate incomplete cytokinesis during colony development. Furthermore, genes shared exclusively by metazoans and choanoflagellates were disproportionately upregulated in colonies and the single cells from which they develop.The S. rosetta genome sequence refines the catalog of metazoan-specific genes while also extending the evolutionary history of certain gene families that are central to metazoan biology. Transcriptome data suggest that conserved cytokinesis genes, including septins, may contribute to S. rosetta colony formation and indicate that the initiation of colony development may preferentially draw upon genes shared with metazoans, while later stages of colony maturation are likely regulated by genes unique to S. rosetta.

It has been posited that animal development evolved from pre-existing mechanisms for regulating cell differentiation in the single celled and colonial ancestors of animals. Although the progenitors of animals cannot be studied directly, insights into their cell biology may be gleaned from comparisons between animals and their closest living relatives, the choanoflagellates. We report here on the life history, cell differentiation and intercellular interactions in the colony-forming choanoflagellate Salpingoeca rosetta. In response to diverse environmental cues, S. rosetta differentiates into at least five distinct cell types, including three solitary cell types (slow swimmers, fast swimmers, and thecate cells) and two colonial forms (rosettes and chains). Electron microscopy reveals that cells within colonies are held together by a combination of fine intercellular bridges, a shared extracellular matrix, and filopodia. In addition, we have discovered that the carbohydrate-binding protein wheat germ agglutinin specifically stains colonies and the slow swimmers from which they form, showing that molecular differentiation precedes multicellular development. Together, these results help establish S. rosetta as a model system for studying simple multicellularity in choanoflagellates and provide an experimental framework for investigating the origin of animal multicellularity and development.

Bacterially-produced small molecules exert profound influences on animal health, morphogenesis, and evolution through poorly understood mechanisms. In one of the closest living relatives of animals, the choanoflagellate Salpingoeca rosetta, we find that rosette colony development is induced by the prey bacterium Algoriphagus machipongonensis and its close relatives in the Bacteroidetes phylum. Here we show that a rosette inducing factor (RIF-1) produced by A. machipongonensis belongs to the small class of sulfonolipids, obscure relatives of the better known sphingolipids that play important roles in signal transmission in plants, animals, and fungi. RIF-1 has extraordinary potency (femtomolar, or 10−15 M) and S. rosetta can respond to it over a broad dynamic range—nine orders of magnitude. This study provides a prototypical example of bacterial sulfonolipids triggering eukaryotic morphogenesis and suggests molecular mechanisms through which bacteria may have contributed to the evolution of animals.

Choanoflagellates, the closest living relatives of animals, can provide unique insights into the changes in gene content that preceded the origin of animals. However, only two choanoflagellate genomes are currently available, providing poor coverage of their diversity. We sequenced transcriptomes of 19 additional choanoflagellate species to produce a comprehensive reconstruction of the gains and losses that shaped the ancestral animal gene repertoire. We identified ~1944 gene families that originated on the animal stem lineage, of which only 39 are conserved across all animals in our study. In addition, ~372 gene families previously thought to be animal-specific, including Notch, Delta, and homologs of the animal Toll-like receptor genes, instead evolved prior to the animal-choanoflagellate divergence. Our findings contribute to an increasingly detailed portrait of the gene families that defined the biology of the Urmetazoan and that may underpin core features of extant animals.