Abstract Whipworms are large metazoan parasites that inhabit distinct multi-intracellular epithelial burrows described as syncytial tunnels, in the large intestine of their hosts. How first-stage larvae invade host epithelia and establish infection remains unclear. Here, we investigate early infection events both using Trichuris muris infections of mice and murine caecaloids, the first in-vitro system for whipworm infection. We show that larvae degrade the mucus layers to access epithelial cells. In early syncytial tunnels, larvae are completely intracellular but woven through multiple live enterocytes and goblet cells. We also use single cell RNA sequencing for the first time to describe the mouse caecum. From infected caeca, the transcriptome data reveal the progression of infection results in cell damage and an expansion of enterocytes with a type-I interferon (IFN) signature, characterised by the expression of Isg15 , instigating the host immune response to the whipworm and tissue repair. Our results unravel intestinal epithelium invasion by whipworms and reveal new specific interactions between the host and the parasite that allow the whipworm to establish its multi-intracellular niche.

Abstract Background The consequences of the earth’s daily rotation have led to 24-hour biological rhythms in most organisms. Even parasites have daily rhythms, which, when in synchrony with host rhythms, optimize their fitness. Understanding these rhythms may enable development of novel control strategies that take advantage of rhythmic vulnerabilities. Recent work on blood-dwelling protozoan parasites has revealed daily rhythms in gene expression, physiology, drug sensitivity and the presence of an intrinsic circadian clock. However, similar studies on metazoan parasites are lacking. The aims of this study were to investigate if a metazoan parasite has daily molecular oscillations, whether they give us insight into how these longer-lived organisms can survive host daily cycles over a life-span of many years and to determine whether canonical metazoan circadian clock genes are present and rhythmic. We addressed these questions using the human blood fluke Schistosoma mansoni, that lives in the vasculature for decades and causes the serious neglected tropical disease schistosomiasis. Results Using round-the-clock transcriptomics of male and female adult worms we discovered that ∼2% of its genes followed a daily pattern of expression. Rhythmic processes included a night-time stress response and a day-time metabolic ‘rush hour’. Transcriptional profiles in the female reproductive system were mirrored by daily patterns in egg laying (eggs are the main drivers of the host pathology). Genes cycling with the highest amplitudes include drug targets and a vaccine candidate. These 24hr rhythms may be driven by host rhythms and/or generated by a circadian clock. However, core clock genes are missing and orthologues of secondary clock genes show no 24hr rhythmicity in transcript abundance. Conclusions The daily rhythms identified here reveal temporally compartmentalised internal processes and host interactions over the daily cycle, including processes relevant to within-host survival and between-host transmission. Our findings suggest that if these daily rhythms are generated by an intrinsic circadian clock then the oscillatory mechanism must be distinct from that in other Metazoa. Most importantly, knowing which gene transcripts oscillate at this temporal scale is relevant to functional genomic studies that will lead to the development and delivery of therapeutics against schistosomiasis.

ABSTRACT Platyhelminthes (flatworms) are a diverse invertebrate phylum that are useful for exploring life history evolution. Within Platyhelminthes, only two clades develop through a larval stage: free-living polyclads and parasitic neodermatans. Neodermatan larvae are considered evolutionarily derived, whereas polyclad larvae are hypothesized to be retained from the last common ancestor of Platyhelminthes – and Spiralia – due to ciliary band similarities among polyclad and other spiralian larvae. However, larval evolution has been challenging to investigate within polyclads due to low support for deeper phylogenetic relationships. To investigate polyclad life history evolution, we generated transcriptomic data for 21 species of polyclads to build a well-supported phylogeny for the group. We then used ancestral state reconstruction to investigate ancestral modes of development (direct vs indirect) within Polycladida, and flatworms in general. The resulting tree provides strong support for deeper nodes and we recover a new monophyletic clade of early branching cotyleans. Early branching clades of acotyleans and cotyleans possess diverse modes of development, suggesting a complex history of larval evolution in polyclads that likely includes multiple losses and/or multiple gains. Our ancestral state reconstructions in a previous platyhelminth phylogeny also suggests that similarities in larval morphology between flatworms and other phyla may have re-emerged secondarily or are convergently evolved.

Animals detect light using opsin photopigments. One recently classified opsin clade, the xenopsins, found in lophotrochozoans, challenges our views on opsin and photoreceptor evolution. Originally thought to belong to the Gαi-coupled ciliary opsins, xenopsins are now understood to have diverged from ciliary opsins in pre-bilaterian times, but little is known about the cells that deploy these proteins, or if they form a photopigment and drive phototransduction. We characterized xenopsin in a flatworm, Maritigrella crozieri, and found that it is expressed in a larval eyespot, and in an abundant extraocular cell type around the adult brain. These distinct cells house hundreds of cilia in an intra-cellular vacuole (a phaosome). Cellular assays show Mc xenopsin forms a photopigment and couples to Gαi/o in response to light. These findings reveal a novel photoreceptor cell type and opsin/G-protein couple, and highlight the convergent enclosure of photosensitive cilia in flatworm phaosomes and jawed vertebrate rods.

Transposable elements (TEs) are mobile parts of the genome that can jump or self-replicate, posing a threat to the stability and integrity of the host genome. TEs are prevented from causing damage to the host genome by defense mechanisms such as nuclear silencing, where TE transcripts are targeted for degradation in an RNAi-like fashion. These pathways are well characterised in model organisms but very little is known about them in other species. Parasitic flatworms present an opportunity to investigate evolutionary novelties in TE control because they lack canonical pathways identified in model organisms (such as the piRNA pathways) but have conserved central players such as Dicer and Ago (argonaute) enzymes. Notably, parasitic flatworm Agos are phylogenetically distinct from classical Agos, raising the question of whether they play special roles in these organisms. In this report, we investigate the role of Ago proteins in the parasitic flatworm Schistosoma mansoni. We show that transcript abundance of two retrotransposable elements increases upon silencing of S.mansoni Ago genes. We further demonstrate that SmAgo2 protein is primarily localised in the germ line of adult worms and its sub-cellular localisation is both nuclear and cytoplasmic. These findings provide further evidence of active TE control under a yet not fully unveiled pathway.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract Schistosomes are parasitic flatworms whose infections affect millions of people worldwide. The parasite has a complex life cycle that is poorly understood at a cellular level. We have developed a cellular transcriptome atlas of the miracidium larva of Schistosoma mansoni, the first post-embryonic stage of development. The miracidium infects a snail host, inside which its stem cells generate daughter sporocysts that give rise to human-infective cercariae larvae. We use a combination of single-cell RNA sequencing, in situ hybridisation and image analysis to characterise the miracidia. Each larva comprises ∼365 cells and 19 transcriptionally distinct cell types. We show that 93% of miracidium cells are somatic (>45% neural, 19% muscle, 13% tegument, 2% parenchyma, 2% protonephridia) and the remaining 7% are stem cells. Cellular diversity within tissue types is revealed, including two transcriptionally distinct muscle clusters, corresponding to the circular and the longitudinal muscles of the body wall, as well as two stem cell populations that show different activation states and cluster further by sex. This whole-body atlas provides new insight into the organisation of the larva and lays the foundation for understanding how the somatic cells drive the behaviour and physiology necessary for infection and propagation of the stem cells inside the snail.

Abstract Schistosomiasis, the most important helminthic disease of humanity, is caused by infection with parasitic flatworms of the genus Schistosoma . The disease is driven by the eggs laid by the parasites and becoming trapped in host tissues, followed by inflammation and granuloma formation. Despite abundant transcriptome data for most developmental stages of the three main human-infective schistosome species, i.e. Schistosoma mansoni, S. japonicum and S. haematobium , the transcriptomic profiles of developing eggs remain largely unexplored. In this study, we performed RNAseq of S. mansoni eggs laid in vitro during early and late embryogenesis (days 1-3 and 3-6 post-oviposition, respectively). Analysis of the transcriptomes identified hundreds of up-regulated genes during the later stage, including venom allergen-like (VAL) proteins, well-established host immunomodulators, and genes involved in organogenesis of the miracidium larva. In addition, the transcriptomes of the in vitro laid eggs were compared with existing publicly available RNA-seq dataset from S. mansoni eggs collected from the livers of murine hosts. Analysis of enriched GO terms and pathway annotations revealed cell division and protein synthesis processes associated with early embryogenesis, whereas cellular metabolic processes, microtubule-based movement, and microtubule cytoskeleton organization were found enriched in the later developmental time point. This is the first transcriptomic analysis of S. mansoni embryonic development, and will facilitate our understanding of infection pathogenesis, miracidia development and life cycle progression of schistosomes.

Abstract Background Schistosomiasis is a major Neglected Tropical Disease, caused by the infection with blood flukes in the genus Schistosoma . To complete the life cycle, the parasite undergoes asexual and sexual reproduction within an intermediate snail host and a definitive mammalian host, respectively. The intra-molluscan phase provides a critical amplification step that ensures a successful transmission. However, the cellular and molecular mechanisms underlying the development of the intra-molluscan stages remain poorly understood. Methods S. mansoni mother sporocysts were dissociated into single cell suspensions, and live cells enriched and sequenced using the single cell 10X Genomics Chromium platform. We defined somatic and stem/germinal cell clusters, identified cell type-enriched Gene Ontology (GO) terms, and predicted transcription factor binding sites for key marker genes. Results Six cell clusters comprising stem/germinal, two tegument, muscle, neuron, and parenchyma were identified and validated by Fluorescence in situ Hybridisation (FISH). GO term analysis predicted key biological processes for each of the clusters. Using the Self-Assembling Manifold (SAM) algorithm, three sub-clusters were identified within the stem/germinal cell population. Furthermore, transcription factor binding sites and putative transcription factors were predicted for stem/germinal and tegument clusters. Conclusions We report a spatially validated single cell transcriptomic analysis of the first intra-molluscan stage of S. mansoni. Key cell regulators were identified, paving the way for future analyses to unveil their role during the parasite development and interaction with its intermediate host.

Over 250 million people suffer from schistosomiasis, a tropical disease caused by parasitic flatworms known as schistosomes. Humans become infected by free-swimming, water-borne larvae, which penetrate the skin. The earliest intra-mammalian stage, called the schistosomulum, undergoes a series of developmental transitions. These changes are critical for the parasite to adapt to its new environment as it navigates through host tissues to reach its niche, where it will grow to reproductive maturity. Unravelling the mechanisms that drive intra-mammalian development requires knowledge of the spatial organisation and transcriptional dynamics of different cell types that comprise the schistomulum body. To fill these important knowledge gaps, we performed single-cell RNA sequencing on two-day old schistosomula of Schistosoma mansoni. We identified likely gene expression profiles for muscle, nervous system, tegument, parenchymal/primordial gut cells, and stem cells. In addition, we validated cell markers for all these clusters by in situ hybridisation in schistosomula and adult parasites. Taken together, this study provides a comprehensive cell-type atlas for the early intra-mammalian stage of this devastating metazoan parasite.