Abstract Venom is a complex trait with substantial inter- and intraspecific variability resulting from strong selective pressures acting on the expression of many toxic proteins. However, understanding the processes underlying the toxin expression dynamics that determine the venom phenotype remains unresolved. Here, we use comparative genomics and transcriptomics to reveal that toxin expression in sea anemones evolves rapidly with little constraint and that a single toxin family dictates the venom phenotype in each species. This dominant toxin family is characterized by massive gene duplication events. In-depth analysis of the sea anemone, Nematostella vectensis , revealed significant variation in the number of copies of the dominant toxin ( Nv1 ) across populations, corresponding to significant differences in Nv1 expression at both the transcript and protein levels. These differences in Nv1 copies are driven by independent expansion events, resulting in distinct haplotypes that have a restricted geographical distribution. Strikingly, one population has undergone a severe contraction event, causing a near-complete loss of Nv1 production. Our findings across micro- and macroevolutionary scales in sea anemones complement observations of single dominant toxin family present in other venomous organisms and establishes the dominant toxin hypothesis whereby venomous animals have convergently evolved a similar strategy in shaping the venom phenotype.

Summary A fundamental breakthrough in neurobiology has been the formulation of the neuron doctrine by Santiago Ramón y Cajal, which states that the nervous system is composed of discrete individual cells. Electron microscopy later confirmed the doctrine and allowed the identification of synaptic connections. Here we use volume electron microscopy and 3D reconstructions to characterize the nerve net of a cydippid-phase ctenophore, belonging to one of the earliest-branching animal lineages. We found that neurons of its subepithelial nerve net do not follow Cajal’s neuron doctrine but instead show a continuous plasma membrane forming a syncytium. This is more similar to the reticulate theory of the nervous system put forward by Camillo Golgi. Additionally, we were able to identify new sensory cell types and describe simple neuro-sensory circuits for cydippid-phase ctenophores. Together with the ctenophore-specific synaptic architecture and the presence of an extensive repertoire of lineage-specific neuropeptides our morphological data provide substantial evidence for the independent evolution of the nervous system of ctenophores and the remaining animals.

Abstract The sea anemone Nematostella vectensis (Anthozoa, Cnidaria) is a powerful model system for characterizing the evolution of genes functioning in venom and nervous systems. Despite being an example for evolutionary novelty, the evolutionary origin of most toxins remains unknown. Here we report the first bona fide case of protein recruitment from the cnidarian nervous to venom system. The ShK-like1 peptide has ShKT cysteine motif, is lethal for fish larvae and packaged into nematocysts, the cnidarian venom-producing stinging capsules. Thus, ShK-like1 is a toxic venom component. Its paralog, ShK-like2, is a neuropeptide localized to neurons and is involved in development. Interestingly, both peptides exhibit similarities in their functional activities: both of them provoke contraction in Nematostella polyps and are toxic to fish. Because ShK-like2 but not ShK-like1 is conserved throughout sea anemone phylogeny, we conclude that the two paralogs originated due to a Nematostella -specific duplication of a ShK-like2 ancestor, a neuropeptide-encoding gene, followed by diversification and partial functional specialization. Strikingly, ShK-like2 is represented by two gene isoforms controlled by alternative promoters conferring regulatory flexibility throughout development. Additionally, we characterized the expression patterns of four other peptides with structural similarities to studied venom components, and revealed their unexpected neuronal localization. Thus, we employed genomics, transcriptomics and functional approaches to reveal one new venom component, five neuropeptides with two different cysteine motifs and an evolutionary pathway from nervous to venom system in Cnidaria.

Abstract The ctenophore nerve net represents one of the earliest evolved nervous system of animals. Due to the uncertainties of their phylogenetic placement of ctenophores and the absence of several key bilaterian neuronal genes, it has been hypothesized that their neurons have evolved independently. Whether this is indeed the case remains unclear, and thus the evolutionary history of neurons is still contentious. Here, we have characterized the neuropeptide repertoire of the ctenophore Mnemiopsis leidyi . Using the machine learning NeuroPID tool 1 129 new putative neuropeptide precursors were predicted. Sixteen of them are detected in the subepithelial nerve net (SNN), aboral organ (AO) and epithelial sensory cells (ESC) of early cydippid-stage M. leidyi by in situ hybridization (ISH) and immunohistochemistry (IHC). Four of these neuropeptides increase the animals’ swimming velocity in a behavioral essay. The new neuropeptides were used as markers to identify neuronal cell types in single cell transcriptomic data 2 . To unravel the neuronal architecture, we 3D reconstructed the SNN underlying the comb plates using serial block-face scanning electron microscopy (SBF-SEM). For the first time, we confirm a more than 100 years old hypothesis about anastomoses between neurites of the same cell in ctenophores and reveal that they occur through a continuous membrane. Our findings reveal the unique neuronal structure and neuropeptide repertoire of ctenophores and are important for reconstructing the evolutionary origin of animal neurons and nervous systems.

Nematostella vectensis is a sea anemone (Actiniaria, Cnidaria) inhabiting estuaries over a broad geographic range where environmental conditions such as temperatures and salinity vary widely. In cnidarians, antagonistic interactions with predators and prey are mediated by their venom, which may be metabolically expensive. In this study, we challenged Nematostella polyps with heat, salinity, UV light stressors and a combination of all three to determine how abiotic stressors impact toxin expression for individuals collected across this species' range. Transcriptomics and proteomics revealed that the highly abundant toxin Nv1 was the most downregulated gene under heat stress conditions in multiple populations. Physiological measurements demonstrated that venom is metabolically costly to produce suggesting that downregulation of venom expression under stressful conditions may be advantageous. Strikingly, under a range of abiotic stressors, individuals from different geographic locations along this latitudinal cline modulate venom production levels differently in a pattern reflecting local adaptation.

Little is known about venom in young developmental stages of animals. The appearance of stinging cells in very early life stages of the sea anemone Nematostella vectensis suggests that toxins and venom are synthesized already in eggs, embryos and larvae of this species. Here we harness transcriptomic and biochemical tools as well as transgenesis to study venom production dynamics in Nematostella. We find that the venom composition and arsenal of toxin-producing cells change dramatically between developmental stages of this species. These findings might be explained by the vastly different ecology of the larva and adult polyp as sea anemones develop from a miniature non-feeding mobile planula to a much larger sessile polyp that predates on other animals. Further, the results suggest a much wider and dynamic venom landscape than initially appreciated in animals with a complex life cycle.