Sea anemones are seemingly primitive animals that, along with corals, jellyfish, and hydras, constitute the oldest eumetazoan phylum, the Cnidaria. Here, we report a comparative analysis of the draft genome of an emerging cnidarian model, the starlet sea anemone Nematostella vectensis . The sea anemone genome is complex, with a gene repertoire, exon-intron structure, and large-scale gene linkage more similar to vertebrates than to flies or nematodes, implying that the genome of the eumetazoan ancestor was similarly complex. Nearly one-fifth of the inferred genes of the ancestor are eumetazoan novelties, which are enriched for animal functions like cell signaling, adhesion, and synaptic transmission. Analysis of diverse pathways suggests that these gene “inventions” along the lineage leading to animals were likely already well integrated with preexisting eukaryotic genes in the eumetazoan progenitor.

Sponges are an ancient group of animals that diverged from other metazoans over 600 million years ago. Here we present the draft genome sequence of Amphimedon queenslandica, a demosponge from the Great Barrier Reef, and show that it is remarkably similar to other animal genomes in content, structure and organization. Comparative analysis enabled by the sequencing of the sponge genome reveals genomic events linked to the origin and early evolution of animals, including the appearance, expansion and diversification of pan-metazoan transcription factor, signalling pathway and structural genes. This diverse 'toolkit' of genes correlates with critical aspects of all metazoan body plans, and comprises cell cycle control and growth, development, somatic- and germ-cell specification, cell adhesion, innate immunity and allorecognition. Notably, many of the genes associated with the emergence of animals are also implicated in cancer, which arises from defects in basic processes associated with metazoan multicellularity.

As arguably the simplest free-living animals, placozoans may represent a primitive metazoan form, yet their biology is poorly understood. Here we report the sequencing and analysis of the ∼98 million base pair nuclear genome of the placozoan Trichoplax adhaerens. Whole-genome phylogenetic analysis suggests that placozoans belong to a ‘eumetazoan’ clade that includes cnidarians and bilaterians, with sponges as the earliest diverging animals. The compact genome shows conserved gene content, gene structure and synteny in relation to the human and other complex eumetazoan genomes. Despite the apparent cellular and organismal simplicity of Trichoplax, its genome encodes a rich array of transcription factor and signalling pathway genes that are typically associated with diverse cell types and developmental processes in eumetazoans, motivating further searches for cryptic cellular complexity and/or as yet unobserved life history stages. Often touted as the 'simplest' free-living animal alive, Trichoplax is central to the debate on early animal origins. It is a disk-shaped placozoan (meaning a 'flat animal') about a millimetre across and was first observed growing on the walls of an aquarium. Now the genome of Trichoplax adhaerens has been sequenced and analysed. The organism retains many features of the last common ancestor with cnidarians and bilaterians, calculated to have existed more than 600 million years ago. But Trichoplax also contains genes for developmental patterns and cell types which have never been seen in this animal, suggesting that there may be stages in its life cycle that have not yet been observed. The genome sequence for Trichoplax adhaerens is analysed, and it is reported that the organism retains many features of the last common ancestor with cnidarians and bilaterians, estimated to be over 600 million years ago. However, T. adhaerens also contains genes for developmental patterns and cell types which have never been seen in this animal, suggesting that we might still not know the full story.

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.

Abstract Pluripotent adult stem cell populations underlie whole-body regeneration in many distantly related animal lineages. These collectively pluripotent populations of cells share some features across species, such as the expression of piwi and other germline-related genes. Studies of how these cells operate during regeneration are needed in diverse systems to determine how underlying cellular and molecular mechanisms of renewal and differentiation compare. Here, we sought to characterize stem cells and their dynamics in the acoel Hofstenia miamia , a highly regenerative marine worm with a piwi -expressing stem cell population called neoblasts. Transcriptome profiling at single cell resolution revealed cell types shared across postembryonic stages, including stem cells and differentiated cell types such as neural, epidermal, muscle, and digestive cells. Reconstruction of single-cell differentiation trajectories followed by functional studies confirmed that neoblasts are the source of differentiated cells and identified transcription factors needed for the formation of major cell types. Next, analysis of single-cell transcriptomes from regenerating worms showed that both differentiated cells and stem cells dynamically alter gene expression in response to amputation. Further analysis of the stem cells recovered subpopulations of neoblasts, each with specific transcriptional profiles suggesting that the majority of neoblasts are specialized to differentiated lineages, reflecting putatively lineage-primed progenitors. Notably, neoblast subsets in Hofstenia were identifiable consistently across postembryonic stages and also displayed differential expression dynamics in response to wounding. Altogether, these data suggest that whole-body regeneration is accomplished by the coordination of cells with distinct and dynamic transcriptomic profiles through time. Furthermore, the data generated here will enable the study of how this coordination is achieved, enhancing our understanding of pluripotent stem cells and their evolution across metazoans.

Reproducibility of human cortical organoid (hCO) phenotypes remains a concern for modeling neurodevelopmental disorders. While guided hCO protocols reproducibly generate cortical cell types in multiple cell lines at one site, variability across sites using a harmonized protocol has not yet been evaluated. We present an hCO cross-site reproducibility study examining multiple phenotypes.Three independent research groups generated hCOs from one induced pluripotent stem cell (iPSC) line using a harmonized miniaturized spinning bioreactor protocol. scRNA-seq, 3D fluorescent imaging, phase contrast imaging, qPCR, and flow cytometry were used to characterize the 3 month differentiations across sites.In all sites, hCOs were mostly cortical progenitor and neuronal cell types in reproducible proportions with moderate to high fidelity to the in vivo brain that were consistently organized in cortical wall-like buds. Cross-site differences were detected in hCO size and morphology. Differential gene expression showed differences in metabolism and cellular stress across sites. Although iPSC culture conditions were consistent and iPSCs remained undifferentiated, primed stem cell marker expression prior to differentiation correlated with cell type proportions in hCOs.We identified hCO phenotypes that are reproducible across sites using a harmonized differentiation protocol. Previously described limitations of hCO models were also reproduced including off-target differentiations, necrotic cores, and cellular stress. Improving our understanding of how stem cell states influence early hCO cell types may increase reliability of hCO differentiations. Cross-site reproducibility of hCO cell type proportions and organization lays the foundation for future collaborative prospective meta-analytic studies modeling neurodevelopmental disorders in hCOs.

Summary The acoel worm Hofstenia miamia , which can replace tissue lost to injury via differentiation of a population of stem cells, has emerged as a new research organism for studying regeneration. To enhance the depth of mechanistic studies in this system, we devised a protocol for microinjection into embryonic cells that resulted in stable transgene integration into the genome and generated animals with tissue-specific fluorescent transgene expression in epidermis, gut, and muscle. We demonstrate that transgenic Hofstenia are amenable to the isolation of specific cell types, detailed investigations of regeneration, tracking of photoconverted molecules, and live imaging. Further, our stable transgenic lines revealed new insights into the biology of Hofstenia , unprecedented details of cell morphology and the organization of muscle as a cellular scaffold for other tissues. Our work positions Hofstenia as a powerful system with unparalleled tools for mechanistic investigations of development, whole-body regeneration, and stem cell biology.

Animals capable of whole-body regeneration can replace any missing cell type and regenerate fully-functional new organs, de novo . The regeneration of a new brain requires the formation of diverse neuronal cell types and their assembly into an organized structure and correctly-wired circuits. Recent work in various regenerative animals has revealed transcriptional programs required for the differentiation of distinct neuronal subpopulations, however how these transcriptional programs are initiated upon amputation remains unknown. Here, we focused on the highly regenerative acoel worm, Hofstenia miamia , to study wound-induced transcriptional regulatory events that lead to the production of neurons. Footprinting analysis using chromatin accessibility data on an improved genome assembly revealed that binding sites for the NFY transcription factor complex were significantly bound during regeneration, showing a dynamic increase in binding within one hour upon amputation specifically in tail fragments, which will regenerate a new brain. Strikingly, NFY targets were highly enriched for genes with neuronal functional. Single-cell transcriptome analysis combined with functional studies identified sox4 + stem cells as the likely progenitor population for multiple neuronal subtypes. Further, we found that wound-induced sox4 expression is likely under direct transcriptional control by NFY, uncovering a mechanism for how early wound-induced binding of a transcriptional regulator results in the initiation of a neuronal differentiation pathway.A new chromosome-scale assembly for Hofstenia enables comprehensive analysis of transcription factor binding during regeneration NFY motifs become dynamically bound by 1hpa in regenerating tail fragments, particularly in the loci of neural genes A sox4+ neural-specialized stem cell is identified using scRNA-seq sox4 is wound-induced and required for differentiation of multiple neural cell types NFY regulates wound-induced expression of sox4 during regeneration.

ABSTRACT Whole-body regeneration requires wound response signals to control patterning programs to enable replacement of structures in their correct locations. While a number of molecular mechanisms underlying anterior-posterior regeneration have been identified, how small fragments of animals first re-establish polarity is less well understood, with non-canonical Wnt signaling recently emerging as a potential regulator. Here, we used the acoel worm Hofstenia miamia , a new research organism capable of robust whole-body regeneration, to assess functions of the components of the Planar Cell Polarity (PCP) pathway in establishing regeneration polarity. We identified homologs of Prickle ( pk-1 ) and Diego ( dgo-1 ) to be required for head and tail regeneration, respectively. RNA-sequencing analysis and experimental corroboration revealed that pk-1 RNAi resulted in diminished expression of early wound response genes as well as of wound-induced expression of the anterior-specific marker fz-7 , specifically in tail fragments. In contrast, dgo-1 RNAi impacted wound-induced expression of the posterior-specific marker tf7l2 , specifically in head fragments. Furthermore, pk-1 and dgo-1 are enriched in longitudinal muscle, with muscle fibers showing disorganized morphology at anterior-facing wound sites of tail fragments under pk-1 RNAi. These findings suggest that pk-1 and dgo-1 are needed for wound-induced expression of anterior- and posterior-specific genes, and raise the possibility that this action is mediated via the control of muscle fiber orientation. Our work expands the study of PCP genes by revealing their functions in the process of whole-body regeneration in acoels, the sister-group to all other animals with bilateral symmetry, and will enable future studies of PCP components in controlling cellular and tissue-wide regeneration polarity.

The wide distribution of regenerative capacity across the animal tree of life raises the question of how regeneration has evolved in distantly-related animals. Given that whole-body regeneration shares the same end-point - formation of a functional body plan - as embryonic development, it has been proposed that regeneration likely recapitulates developmental processes to some extent. Therefore, understanding how developmental processes are reactivated during regeneration is important for uncovering the evolutionary history of regeneration. Comparative transcriptomic studies in some species have revealed shared gene expression between development and regeneration, but it is not known whether these shared expression profiles correspond to shared functions, and which mechanisms activate expression of developmental genes during regeneration. We sought to address these questions using the acoel