Abstract The size of an animal is determined by the size of its musculoskeletal system. Myoblast fusion is an innovative mechanism that allows for multinucleated muscle fibers to compound the size and strength of individual mononucleated cells. However, the evolutionary history of the control mechanism underlying this important process is currently unknown. The phylum Chordata hosts closely related groups that span distinct myoblast fusion states: no fusion in cephalochordates, restricted fusion and multinucleation in tunicates, and extensive, obligatory fusion in vertebrates. To elucidate how these differences may have evolved, we studied the evolutionary origins and function of membrane-coalescing agents Myomaker and Myomixer in various groups of chordates. Here we report that Myomaker likely arose through gene duplication in the last common ancestor of tunicates and vertebrates, while Myomixer appears to have evolved de novo in early vertebrates. Functional tests revealed an unexpectedly complex evolutionary history of myoblast fusion in chordates. A pre-vertebrate phase of muscle multinucleation driven by Myomaker was followed by the later emergence of Myomixer that enables the highly efficient fusion system of vertebrates. Thus, our findings reveal the evolutionary origins of chordate-specific fusogens and illustrate how new genes can shape the emergence of novel morphogenetic traits and mechanisms.

Abstract Transcriptional regulation of gene expression is an indispensable process in multicellular development, yet we still do not fully understand how the complex networks of transcription factors operating in neuronal precursors coordinately control the expression of effector genes that shape morphogenesis and terminal differentiation. Here we break down in greater detail a provisional regulatory circuit downstream of the transcription factor Pax3/7 operating in the descending decussating neurons (ddNs) of the tunicate Ciona robusta. The ddNs are a pair of hindbrain neurons proposed to be homologous to the Mauthner cells of anamniotes, and Pax3/7 is sufficient and necessary for their specification. We show that different transcription factors downstream of Pax3/7, namely Pou4, Lhx1/5, and Dmbx, regulate distinct “branches” of this ddN network that appear to be dedicated to different developmental tasks. Some of these network branches are shared with other neurons throughout the larva, reinforcing the idea that modularity is likely a key feature of such networks. We discuss these ideas and their evolutionary implications here, including the observation that homologs of all four transcription factors (Pax3/7, Lhx5, Pou4f3, and Dmbx1) are key for the specification of cranial neural crest in vertebrates.

The central nervous system of the Ciona larva contains only 177 neurons. The precise regulation of neuron subtype-specific morphogenesis and differentiation observed in during the formation of this minimal connectome offers a unique opportunity to dissect gene regulatory networks underlying chordate neurodevelopment. Here we compare the transcriptomes of two very distinct neuron types in the hindbrain/spinal cord homolog of Ciona, the Motor Ganglion (MG): the Descending decussating neuron (ddN, proposed homolog of Mauthner Cells in vertebrates) and the MG Interneuron 2 (MGIN2). Both types are invariantly represented by a single bilaterally symmetric left/right pair of cells in every larva. Supernumerary ddNs and MGIN2s were generated in synchronized embryos and isolated by fluorescence-activated cell sorting for transcriptome profiling. Differential gene expression analysis revealed ddN- and MGIN2-specific enrichment of a wide range of genes, including many encoding potential "effectors" of subtype-specific morphological and functional traits. More specifically, we identified the upregulation of centrosome-associated, microtubule-stabilizing/bundling proteins and extracellular matrix proteins and axon guidance cues as part of a single intrinsic regulatory program underlying the unique polarization of the ddNs, the only descending MG neurons that cross the midline.

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.