Hydra, first described by Anton van Leeuwenhoek in a letter to the Royal Society in 1702, has been studied by biologists for centuries and now is an important model for work on axial patterning, stem cell biology and regeneration. Its genome, over half of which is made up of mobile elements, has now been sequenced, as has the genome of a Curvibacter sp. bacterium stably associated with Hydra magnipapillata. Comparisons of the Hydra genome with those of other animals provide insights into the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, pluripotency genes and the neuromuscular junction, as well as the Spemann–Mangold organizer, the region in the early embryo that establishes the embryo's axis. The freshwater cnidarian Hydra is a significant model for studies of axial patterning, stem cell biology and regeneration. Its (A+T)-rich genome has now been sequenced. Comparison of this genome with those of other animals provides insights into the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, pluripotency genes and more. The freshwater cnidarian Hydra was first described in 17021 and has been the object of study for 300 years. Experimental studies of Hydra between 1736 and 1744 culminated in the discovery of asexual reproduction of an animal by budding, the first description of regeneration in an animal, and successful transplantation of tissue between animals2. Today, Hydra is an important model for studies of axial patterning3, stem cell biology4 and regeneration5. Here we report the genome of Hydra magnipapillata and compare it to the genomes of the anthozoan Nematostella vectensis6 and other animals. The Hydra genome has been shaped by bursts of transposable element expansion, horizontal gene transfer, trans-splicing, and simplification of gene structure and gene content that parallel simplification of the Hydra life cycle. We also report the sequence of the genome of a novel bacterium stably associated with H. magnipapillata. Comparisons of the Hydra genome to the genomes of other animals shed light on the evolution of epithelia, contractile tissues, developmentally regulated transcription factors, the Spemann–Mangold organizer, pluripotency genes and the neuromuscular junction.

Modifying the Modifier Covalent modification of proteins provides an important means whereby their function is regulated. Hydroxylation, catalyzed by oxygenase enzymes, plays an important role in the response to hypoxia, for example. The human protein Jmjd6 has been thought to act as an oxygenase, catalyzing the demethylation of histone H3 at arginine-2 and histone H4 at arginine-3. Webby et al. (p. 90 ) now show that Jmjd6 interacts with the messenger RNA splicing factor U2AF65 and acts to hydroxylate this protein at lysine residues, modifications also seen in vivo. Furthermore, Jmjd6 modulates the alternative splicing of both an endogenous gene and an introduced mini-gene.

Abstract Wnt- and Notch signaling pathways are involved in regulating Hydra head regeneration. The Notch-inhibitor DAPT blocks expression of transcriptional repressor genes including CnGsc and HyHes and attenuates hypostomal HyWnt3 - and HyBMP2/4 expression in regenerating Hydra heads while increasing expression of HyBMP5/8b and the c-fos-related gene HyKayak . Inhibition of the transcriptional activity of β-catenin blocks expression of HyAlx during Hydra head regeneration and prevents formation of tentacles, however hypostome regeneration and Wnt3 expression patterns remain intact. This indicates competing pathways for hypostome and tentacle regeneration. We tested this hypothesis on fresh water polyps of Craspedacusta, which do not have tentacles and thus after head removal only regenerate a hypostome with a crescent of nematocytes around the mouth opening. We found that head regeneration in Craspedacusta was inhibited by the β-catenin-inhibitor iCRT14, but not by the Notch-inhibitor DAPT, indirectly confirming that in Hydra Notch-signaling maybe needed to balance separate signaling modules for hypostome and tentacle formation, involving Wnt3/BMP2/4 or HyAlx/HyBMP5/8b expression, respectively. We suggest that during head regeneration, Notch works by inhibiting HyBMP5/8b expression and HyKayak mediated repression of HyWnt3 , rather than directly activating transcription at the HyWnt3 promoter . We thus conclude that HvNotch mediates between two pattern forming systems in Hydra by coordinating a lateral inhibition process restricting the tentacle system.

TNF-R, TNF, and FADD family members are conserved in the fresh water polyp Hydra. Moreover, Hydra expresses HyTNF-R adaptor proteins similar to the vertebrate TNF-receptor associated factors TRAF-4 and TRAF-6. HyTNF-R is closest related to the human ectodysplasin receptor EDAR, which is involved in epithelial cell differentiation, e.g. the formation of hair and tooth cells in mammals. Consistent with a similar function in Hydra, we show here that HyTNF-R protein is localised very specifically in battery cells and in such epithelial cells of the body column that incorporate nematocytes. Epithelial cell differentiation is therefore an evolutionary ancient function of TNF-R/TNF-protein superfamily members. We also show that two Hydra-FADD proteins co-localise with Hydra caspases possessing death (DD) or death effector (DED) domains in death effector filaments in human cells. Caspase recruitment by members of the FADD-protein family might therefore also be an ancient trait. Future research will have to discover the up-stream pathways, which govern this potential apoptotic pathway in Hydra and whether it is extrinsically or intrinsically induced.

Abstract The Notch pathway is highly conserved and essential for animal development. We investigated the function of Notch-signalling in Hydra by using the presenilin inhibitor DAPT, which efficiently blocks propagation of Notch-signals. In Hydra , DAPT treatment prevents differentiation of proliferating nematocyte progenitor cells into mature nematocytes. Moreover, it causes defects in the Hydra head by compromising the head organizer. In order to understand the molecular mechanisms by which the Notch pathway regulates these processes we performed RNAseq to identify genes that are differentially regulated in response to 48 hours of DAPT-exposure. This revealed downregulation of 624 genes and upregulation of 207 genes. To identify candidate direct regulators of Notch-signalling, we also profiled gene expression changes that occur during restoration of Notch-activity 3 and 6 hours after DAPT-removal. We then analysed gene expression patterns of these Notch-responsive genes in untreated animals by interrogating the available single cell sequencing data set for untreated animals and found that almost half of the Notch responsive genes were specifically expressed in nematocytes and nematocyte progenitors. This confirms the critical role for Notch-signalling in nematocyte development. Promoter analyses and gene expression profiling after DAPT-removal suggested an indirect role for Notch in regulating a POU -transcription factor, which is critical for nematogenesis. In support of a role for Notch-signalling in head organizer formation, we identified several head organizer genes in the Notch regulated gene data set, including Cngsc , a homologue of goosecoid, a gene associated with the Spemann organizer, and the Wnt pathway genes Sp5, Tcf and Wnt-7. Finally, the expression levels of the tentacle patterning genes HyAlx and Sp5 rapidly recovered after DAPT removal. Given that these genes possess Notch-responsive RBPJ transcription factor binding sites in their regulatory regions, these genes are likely directly targeted by Notch signalling. In summary, our data provide a comprehensive picture of the molecular pathways regulated by Notch signalling in interstitial cell differentiation and formation of the oral-aboral axis in Hydra .

Abstract The Notch-signalling pathway plays an important role in pattern formation in Hydra . Using pharmacological Notch inhibitors (DAPT and SAHM1), it has been demonstrated that HvNotch is required for head regeneration and tentacle patterning in Hydra . HvNotch is also involved in establishing the parent-bud boundary and instructing buds to develop feet and detach from the parent. To further investigate the functions of HvNotch, we successfully constructed NICD (HvNotch intracellular domain)-overexpressing and HvNotch-knockdown transgenic Hydra strains. NICD-overexpressing transgenic Hydra showed a pronounced inhibition on the expression of predicted HvNotch-target genes, suggesting a dominant negative effect of ectopic NICD. This resulted in a “Y-shaped” phenotype, which arises from the parent-bud boundary defect seen in polyps treated with DAPT. Additionally, “multiple heads”, “two-headed” and “ectopic tentacles” phenotypes were observed. The HvNotch-knockdown transgenic Hydra with reduced expression of HvNotch exhibited similar, but not identical phenotypes, with the addition of a “two feet” phenotype. Furthermore, approximately 20% of the HvNotch-knockdown polyps were unable to regenerate a new head after decapitation. We integrated these findings into a mathematical model based on long-range gradients of signalling molecules underlying sharply defined positions of HvNotch-signalling cells at the Hydra tentacle and bud boundaries.

Abstract Background: Mechanisms of programmed cell death differ considerably between animals, plants and fungi. In animals they depend on caspases and Bcl-2 family proteins and this kind of cell death is called apoptosis. Most gene families encoding proteins involved in apoptosis are found in multicellular animals already in the eldest phyla but their functional conservation is still being studied. Much older protein families have cytoprotective functions across all kingdoms of life. This includes the TMBIMP-family, the presence and function of which in early metazoans has not been investigated yet. Methods: We quantified apoptosis in transgenic Hydra overexpressing HyBcl-2-like 4. Moreover, we investigated putative TMBIMP-family members in Hydra by sequence comparison. By overexpression of TMBIMP-family members in Hydra and human HEK cells we analysed their subcellular localisation and in one case their capacity to protect cells from camptothecin induced apoptosis. Results: HyBcl-2-like 4, as previously shown in a heterologous system, was localised to mitochondria and able to protect Hydra epithelial cells from apoptosis. The TMBIMP-family in Hydra includes HyBax-Inhibitor-1, HyLifeguard-1a and -1b and HyLifeguard 4 proteins. HyBax-inhibitor-1 protein was found localised to ER-membranes, HyLifeguard-family members were found at the plasma membrane and in Golgi-vesicles. Moreover, HyBax-inhibitor-1 protected human cells from apoptosis. Conclusion: This work provides the first functional study to support an anti-apoptotic function of Bcl-2 like proteins in pre-bilaterians within a physiological context. Furthermore it illustrates that genes that were inherited from non-animal ancestors, like the TMBIMP-family, were recruited to carry out cell protective anti-apoptotic functions already in early metazoans.