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 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.

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.

Abstract SARS-CoV-2 is a novel coronavirus responsible for the COVID-19 pandemic. Its high pathogenicity is due to SARS-CoV-2 spike protein (S protein) contacting host-cell receptors. A critical hallmark of COVID-19 is the occurrence of coagulopathies. Here, we report the direct observation of the interactions between S protein and platelets. Live imaging showed that the S protein triggers platelets to deform dynamically, in some cases, leading to their irreversible activation. Strikingly, cellular cryo-electron tomography revealed dense decorations of S protein on the platelet surface, inducing filopodia formation. Hypothesizing that S protein binds to filopodia-inducing integrin receptors, we tested the binding to RGD motif-recognizing platelet integrins and found that S protein recognizes integrin α v β 3 . Our results infer that the stochastic activation of platelets is due to weak interactions of S protein with integrin, which can attribute to the pathogenesis of COVID-19 and the occurrence of rare but severe coagulopathies.

Abstract Muscle-based movement is a hallmark of animal biology, but the evolutionary origins of myocytes – the cells that comprise muscle tissues – are unknown. Sponges (Porifera) provide an opportunity to reconstruct the earliest periods of myocyte evolution. Although sponges are believed to lack muscle, they are capable of coordinated whole-body contractions that purge debris from internal water canals. This behavior has been observed for decades, but their contractile tissues remain uncharacterized; it is an open question whether they have affinity to muscle or non-muscle contractile tissues in other animals. Here, we characterize the endothelial-like lining of water canals (the endopinacoderm) as a primary contractile tissue in the sponge Ephydatia muelleri . We find tissue-wide organization of contractile actin-bundles that contain striated-muscle myosin II and transgelin, and that contractions are regulated by the release of internal Ca 2+ stores upstream of the myosin-light-chain-kinase (MLCK) pathway. Further, we show that the endopinacoderm is developmentally specified by myocardin-related transcription factor (MRTF) as part of an environmentally-inducible transcriptional complex that otherwise is known to function in muscle development, plasticity, and regeneration in other animals. We conclude that both muscle tissues and the endopinacoderm evolved from a common, multifunctional contractile tissue in the animal stem-lineage. Furthermore, as an actin-regulated force-sensor, MRTF-activity offers a mechanism for how water canals dynamically remodel in response to flow and can re-form normally from stem-cells in the absence of the intrinsic positional cues characteristic of embryogenesis in other animals.

β-catenin acts as a transcriptional co-activator in the Wnt/β-catenin signaling pathway and a cytoplasmic effector in cadherin-based cell adhesion. These functions are ancient within animals, but the earliest steps in β-catenin evolution remain unresolved due to limited data from key lineages - sponges, ctenophores and placozoans. Previous studies in sponges have characterized β-catenin expression dynamics and used GSK3B antagonists to ectopically activate the Wnt/β-catenin pathway; both approaches rely upon untested assumptions about the conservation of β-catenin function and regulation in sponges. Here, we test these assumptions using an antibody raised against β-catenin from the sponge Ephydatia muelleri. We find that cadherin-complex genes co-precipitate with endogenous Em β-catenin from cell lysates, but that Wnt pathway components do not. However, through immunostaining we detect both cell boundary and nuclear populations, and we find evidence that Em β-catenin is a conserved substrate of GSK3B. Collectively, these data support conserved roles for Em β-catenin in both cell adhesion and Wnt signaling. Additionally, we find evidence for an Em β-catenin population associated with the distal ends of F-actin stress fibers in apparent cell-substrate adhesion structures that resemble focal adhesions. This finding suggests a fundamental difference in the adhesion properties of sponge tissues relative to other animals, in which the adhesion functions of β-catenin are typically restricted to cell-cell adhesions.

The homoscleromorph sponge Oscarella carmela, first described from central California, USA is shown to represent two morphologically similar but phylogenetically distant species that are co-distributed. We here describe a new species as Oscarella pearsei, sp. nov. and re-describe Oscarella carmela; the original description was based upon material from both species. Further, we correct the identification of published genomic/transcriptomic resources that were originally attributed to O. carmela, and present new Illumina-sequenced transcriptome assemblies for each of these species, and the mitochondrial genome sequence for O. pearsei sp. nov. Using SSU and LSU ribosomal DNA and the mitochondrial genome, we report the phylogenetic relationships of these species relative to other Oscarella species, and find strong support for placement of O. pearsei sp. nov. in a clade defined by the presence of spherulous cells that contain paracrystalline inclusions; O. carmela lacks this cell type and is most closely related to the Western Pacific species, O. malakhovi. Oscarella pearsei sp. nov and O. carmela can be tentatively distinguished based upon gross morphological differences such as color, surface texture and extent of mucus production, but can be more reliably identified using mitochondrial and nuclear barcode sequencing, ultrastructural characteristics of cells in the mesohyl, and the morphology of the follicle epithelium which surrounds the developing embryo in reproductively active individuals. Usually, cryptic species are very closely related to each other, but in this case and in sponges generally, cryptic species may be very distantly related because sponges can be difficult to identify based upon gross morphological characteristics.

Abstract The discovery that sponges (Porifera) can fully regenerate from aggregates of dissociated cells launched them as one of the earliest experimental models for cell adhesion and allorecognition studies in animals. This process depends on an extracellular glycoprotein complex called the Aggregation Factor (AF). However, our understanding of how animal adhesion and allorecognition mechanisms first evolved is complicated by the fact that the known components of the AF are thought to be unique to sponges. We used label-free quantitative proteomics to identify additional AF components and interacting proteins in the classical model Clathria prolifera and compare them to proteins involved in cell interactions in Bilateria. Our results confirm MAFp3/p4 as the primary components of the AF, but implicate related proteins with calx-beta and wreath domains as additional components. Using AlphaFold, we unveiled close structural similarities of AF components to distant homologs in other animals, previously masked by the stark decay of sequence similarity. The wreath domain, believed to be unique to the AF, was predicted to contain a central beta-sandwich of the same organization as the vWFD domain in extracellular, gel-forming gly-coproteins in other animals. Additionally, we co-purified candidate AF-interacting proteins that share a conserved C-terminus, containing divergent Ig-like and Fn3 domains, a combination also known from IgCAMs. One of these, MAFAP1, may function to link the AF to the surface of cells. Our results highlight the existence of an ancient toolkit of conserved protein domains regulating cell-cell and cell-ECM interactions in all animals, and likely reflect a common origin of cell-adhesion and allorecognition.

The integrity and organization of animal tissues depends upon specialized protein complexes that mediate adhesion between cells with each other (cadherin-based adherens junctions), and with the extracellular matrix (integrin-based focal adhesions). Reconstructing how and when these cell junctions evolved is central to understanding early tissue evolution in animals. We examined focal adhesion protein homologs in tissues of the freshwater sponge, Ephydatia muelleri (phylum Porifera). We found that sponge homologs of focal adhesion proteins co-precipitate as a complex and localize to cell junctions in sponge tissues. These data support that the adhesion roles of these proteins evolved early, prior to the divergence of sponges and other animals. However, in contrast to the spatially partitioned distribution of cell junctions in epithelia of other animals, focal adhesion proteins were found to be co-distributed with the adherens junction protein Emβ-catenin in sponge tissues; both at certain cell-cell and cell-extracellular matrix (ECM) adhesions. Sponge adhesion structures were found to be unique in other ways, too. The basopinacoderm (substrate-attachment epithelium) lacks typical polarity in that cell-ECM adhesions form on both basal and apical surfaces, and compositionally unique cell junctions form at the interface between cells with spicules (siliceous skeletal elements) and between cells and environmental bacteria. These results clarify the diversity, distribution and molecular composition of cell junctions in tissues of E. muelleri, but raise new questions about their function and homology with cell junctions in other animals.