SUMMARY Communication in bilaterian nervous systems is mediated by electrical and secreted signals, however, the evolutionary origin and relation of neurons to other secretory cell types has not been elucidated. Here we use developmental single cell RNA-sequencing in the cnidarian Nematostella vectensis , representing an early evolutionary lineage with a simple nervous system. Validated by transgenics, we demonstrate that neurons, stinging cells, and gland cells arise from a common multipotent progenitor population. We identify the conserved transcription factor gene SoxC as a key upstream regulator of all neurosecretory lineages and demonstrate that SoxC knockdown eliminates both neuronal and secretory cell types. While in vertebrates and many other bilaterians neurogenesis is largely restricted to early developmental stages, we show that in the sea anemone differentiation of neurosecretory cells is maintained throughout all life stages, and follows the same molecular trajectories from embryo to adulthood, ensuring lifelong homeostasis of neurosecretory cell lineages.

Abstract The life-cycle and polyp morphology of representatives of Margelopsidae are very different from all other species in the hydrozoan clade Aplanulata. Their evolutionary origin and phylogenetic position has been the subject of significant speculation. A recent molecular study based only on COI data placed Margelopsidae as a sister group to all Aplanulata, an unexpected result because margelopsid morphology suggests affiliation with Tubulariidae or Corymorphidae. Here we used multigene analyses, including nuclear (18S rRNA and 28S rRNA) and mitochondrial (16S rRNA and COI) markers of the hydroid stage of the margelopsid species Margelopsis haeckelii Hartlaub, 1897 and the medusa stage of Margelopsis hartlaubii Browne, 1903 to resolve their phylogenetic position with respect to other hydrozoans. Our data provide strong evidence that M. haeckelii , the type species of Margelopsis , is a member of the family Corymorphydae. In contrast, M. hartlaubii Browne, 1903 is sister to Plotocnide borealis Wagner, 1885, a member of Boreohydridae. These results invalidate the family Margelopsidae. The phylogenetic signal of polyp and medusa stages is discussed in light of concept of inconsistent evolution and molecular phylogenetic analysis.

Abstract In animals, body axis patterning is based on the concentration-dependent interpretation of graded morphogen signals, which enables correct positioning of the anatomical structures. The most ancient axis patterning system acting across animal phyla relies on β-catenin signaling, which directs gastrulation, and patterns the main body axis. However, within Bilateria, the patterning logic varies significantly between protostomes and deuterostomes. To deduce the ancestral principles of β-catenin dependent axial patterning, we investigated the oral-aboral axis patterning in the sea anemone Nematostella - a member of the bilaterian sister group Cnidaria. Here we elucidate the regulatory logic by which more orally expressed β-catenin targets repress more aborally expressed β- catenin targets, and progressively restrict the initially global, maternally provided aboral identity. Similar regulatory logic of β-catenin-dependent patterning in Nematostella and deuterostomes suggests a common evolutionary origin of these processes.

Abstract Endomesoderm specification based on a maternal β-catenin signal and axial patterning by interpreting a gradient of zygotic Wnt/β-catenin signalling was suggested to predate the split between Bilateria and their evolutionary sister Cnidaria. However, in Cnidaria, the roles of β-catenin signalling in both these processes have not been proven directly. Here, by tagging the endogenous β-catenin protein in the sea anemone Nematostella vectensis , we show that the oral-aboral axis in a cnidarian is indeed patterned by a gradient of β-catenin signalling. Unexpectedly, in a striking contrast to Bilateria, Nematostella endoderm specification takes place opposite to the part of the embryo, where β-catenin is translocated into the nuclei. This suggests that β-catenin-dependent endomesoderm specification is a Bilateria-specific co-option, which may have linked endomesoderm specification with the subsequent posterior-anterior patterning.

Abstract Canonical Wnt (cWnt) signaling is involved in a plethora of basic developmental processes such as endomesoderm specification, gastrulation and patterning the main body axis. To activate the signal, Wnt ligands form complexes with LRP5/6 and Frizzled receptors, which leads to nuclear translocation of β-catenin and transcriptional response. In Bilateria, the expression of different Frizzled genes is often partially overlapping, and their functions are known to be redundant in several developmental contexts. Here we demonstrate that all four Frizzled receptors take part in the cWnt-mediated oral-aboral axis patterning in the cnidarian Nematostella vectensis but show partially redundant functions. However, we do not see evidence for their involvement in the specification of the endoderm – an earlier event likely relying on maternal, intracellular β-catenin signaling components. Finally, we demonstrate that the main Wnt ligands crucial for the early oral-aboral patterning are Wnt3 and Wnt4. Comparison of our data to the knowledge from other models suggests that distinct but overlapping expression domains and partial functional redundancy of cnidarian and bilaterian Frizzled genes may represent a shared ancestral trait.

Abstract Background In almost all metazoans examined to this respect, the axial patterning system based on canonical Wnt (cWnt) signaling operates throughout the course of development. In most metazoans, gastrulation is polar, and embryos develop morphological landmarks of axial polarity, such as blastopore under control/regulation from Wnt signaling. However, in many cnidarian species, gastrulation is morphologically apolar. The question remains whether сWnt signaling providing the establishment of a body axis controls morphogenetic processes involved in apolar gastrulation. Results In this study, we focused on the embryonic development of Dynamena pumila , a cnidarian species with apolar gastrulation. We thoroughly described cell behavior, proliferation, and ultrastructure and examined axial patterning in the embryos of this species. We revealed that the first signs of morphological polarity appear only after the end of gastrulation, while molecular prepatterning of the embryo does exist during gastrulation. We have shown experimentally that in D. pumila, the morphological axis is highly robust against perturbations in cWnt activity. Conclusion Our results suggest that morphogenetic processes are uncoupled from molecular axial patterning during gastrulation in D. pumila . Investigation of D. pumila might significantly expand our understanding of the ways in which morphological polarization and axial molecular patterning are linked in Metazoa.

Abstract Brachyury, a member of T-box gene family, is widely known for its major role in mesoderm specification in bilaterians. It is also present in non-bilaterian metazoans, such as cnidarians, where it acts as a component of an axial patterning system. In this study, we present a phylogenetic analysis of Brachyury genes within phylum Cnidaria, investigate differential expression and address a functional framework of Brachyury paralogs in hydrozoan Dynamena pumila . Our analysis indicates two duplication events of Brachyury in the cnidarian lineage: in the common ancestor of the Medusozoa clade and at the base of the class Hydrozoa. We designate result of the first step as Brachyury2 and of the second as Brachyury3. Brachyury1 and 2 display a conservative expression pattern marking the oral pole of the body axis in D. pumila . On the contrary, Brachyury3 expression was detected in scattered presumably nerve cells of the D. pumila larva. Pharmacological modulations indicated that Brachyury3 is not under regulation of cWnt signalling in contrast to the other two Brachyury genes. Divergence in expression patterns and regulation suggest neofunctionalization of Brachyury3 in hydrozoans.