In the molecular scheme of living organisms, adenosine 3′,5′-monophosphate (cyclic AMP or cAMP) has been a universal second messenger. In eukaryotic cells, the primary receptors for cAMP are the regulatory subunits of cAMP-dependent protein kinase. The crystal structure of a 1-91 deletion mutant of the type Iα regulatory subunit was refined to 2.8 Å resolution. Each of the two tandem cAMP binding domains provides an extensive network of hydrogen bonds that buries the cyclic phosphate and the ribose between two β strands that are linked by a short α helix. Each adenine base stacks against an aromatic ring that lies outside the β barrel. This structure provides a molecular basis for understanding how cAMP binds cooperatively to its receptor protein, thus mediating activation of the kinase.

Abstract Spinal motor neurons (MNs) integrate sensory stimuli and brain commands to generate motor movements in vertebrates. Distinct MN populations and their diversity has long been hypothesized to co-evolve with motor circuit to provide the neural basis from undulatory to ambulatory locomotion during aquatic-to-terrestrial transition of vertebrates. However, how these subtypes are evolved remains largely enigmatic. Using single-cell transcriptomics, we investigate heterogeneity in mouse MNs and discover novel segment-specific subtypes. Among limb-innervating MNs, we reveal a diverse neuropeptide code for delineating putative motor pool identities. We further uncovered that axial MNs are subdivided by three conserved and molecularly distinct subpopulations, defined by Satb2, Nr2f2 or Bcl11b expression. Although axial MNs are conserved from cephalochordates to humans, subtype diversity becomes prominent in land animals and appears to continue evolving in humans. Overall, our study provides a unified classification system for spinal MNs and paves the way towards deciphering how neuronal subtypes are evolved.

Abstract Evolutionary history of deuterostomes remains unsolved and is intimately related to the origin of chordates. Among deuterostomes, hemichordates and echinoderms (collectively called Ambulacraria) are sister groups of chordates. Comparative studies involving these three groups provide valuable insights into deuterostome evolution. Indirect developing hemichordates produce planktonic larvae that bear resemblance to echinoderm larvae before undergoing metamorphosis into an adult body plan with anteroposterior polarity homologous to that of chordates. Therefore, understanding the developmental processes of indirect-developing hemichordates can help understand the evolution of deuterostomes and the origins of chordates. In this study, we analysed the transcriptomes and chromatin accessibility of multiple developmental stages of the indirect-developing hemichordate Ptychodera flava and discovered that it exhibits a biphasic developmental program controlled by distinct sets of transcription factors and their corresponding regulatory elements. Comparative analyses of transcriptomes and network analyses revealed that the gastrula transcriptome is relatively ancient, and the TFs orchestrating its gene expression are highly interconnected in networks of cis-regulatory interactions. Comparing the developmental transcriptomes of hemichordates, echinoderms, and amphioxus, revealed high conservation of gene expression during gastrulation that extends to the neurula stages of amphioxus, along with remarkable similarity in larval transcriptomes across the three species. Additionally, we show that P. flava possesses conserved interactions of transcription factors necessary for the development of echinoderm endomesoderm and chordate axial mesoderm, including conserved cis-regulatory elements of the FoxA transcription factor that is central to the two networks. These findings suggest the existence of a deuterostome phylotypic stage during gastrulation governed by gene regulatory networks with conserved cis-regulatory interactions. Conversely, integration of gene expression data with synteny data revealed that gene expression recapitulates the independent evolutionary history of the Ancestral Linkage Groups that underwent rearrangements in each deuterostome lineage, suggesting a potential role of genome rearrangement during the evolution of larval strategies in hemichordates and deuterostome body plans.

Deuterostomes are a monophyletic group of animals that includes Hemichordata, Echinodermata (together called Ambulacraria), and Chordata. The diversity of deuterostome body plans has made it challenging to reconstruct their ancestral condition and to decipher the genetic changes that drove the diversification of deuterostome lineages. Here, we generate chromosome-level genome assemblies of 2 hemichordate species, Ptychodera flava and Schizocardium californicum, and use comparative genomic approaches to infer the chromosomal architecture of the deuterostome common ancestor and delineate lineage-specific chromosomal modifications. We show that hemichordate chromosomes (1N = 23) exhibit remarkable chromosome-scale macrosynteny when compared to other deuterostomes and can be derived from 24 deuterostome ancestral linkage groups (ALGs). These deuterostome ALGs in turn match previously inferred bilaterian ALGs, consistent with a relatively short transition from the last common bilaterian ancestor to the origin of deuterostomes. Based on this deuterostome ALG complement, we deduced chromosomal rearrangement events that occurred in different lineages. For example, a fusion-with-mixing event produced an Ambulacraria-specific ALG that subsequently split into 2 chromosomes in extant hemichordates, while this homologous ALG further fused with another chromosome in sea urchins. Orthologous genes distributed in these rearranged chromosomes are enriched for functions in various developmental processes. We found that the deeply conserved Hox clusters are located in highly rearranged chromosomes and that maintenance of the clusters are likely due to lower densities of transposable elements within the clusters. We also provide evidence that the deuterostome-specific pharyngeal gene cluster was established via the combination of 3 pre-assembled microsyntenic blocks. We suggest that since chromosomal rearrangement events and formation of new gene clusters may change the regulatory controls of developmental genes, these events may have contributed to the evolution of diverse body plans among deuterostomes.

Extensive adenosine-to-inosine (A-to-I) editing of nuclear-transcribed RNAs is the hallmark of metazoan transcriptional regulation, and is fundamental to numerous biochemical processes. Here we explore the origin and evolution of this regulatory innovation, by quantifying its prevalence in 22 species that represent all major transitions in metazoan evolution. We provide substantial evidence that extensive RNA editing emerged in the common ancestor of extant metazoans. We find the frequency of RNA editing varies across taxa in a manner independent of metazoan complexity. Nevertheless, cis-acting features that guide A-to-I editing are under strong constraint across all metazoans. RNA editing seems to preserve an ancient mechanism for suppressing the more recently evolved repetitive elements, and is generally nonadaptive in protein-coding regions across metazoans, except for Drosophila and cephalopods. Interestingly, RNA editing preferentially target genes involved in neurotransmission, cellular communication and cytoskeleton, and recodes identical amino acid positions in several conserved genes across diverse taxa, emphasizing broad roles of RNA editing in cellular functions during metazoan evolution that have been previously underappreciated.

A series of "molecular domestication" events are thought to have converted an invertebrate RAG-like (RAGL) transposase into the RAG1-RAG2 (RAG) recombinase, a critical enzyme for adaptive immunity in jawed vertebrates. The timing and order of these events is not well understood, in part because of a dearth of information regarding the invertebrate RAGL-A transposon family. In contrast to the abundant and divergent RAGL-B transposon family, RAGL-A most closely resembles RAG and is represented by a single orphan RAG1-like (RAG1L) gene in the genome of the hemichordate Ptychodera flava (PflRAG1L-A). Here, we provide evidence for the existence of complete RAGL-A transposons in the genomes of P. flava and several echinoderms. The predicted RAG1L-A and RAG2L-A proteins encoded by these transposons intermingle sequence features of jawed vertebrate RAG and RAGL-B transposases, leading to a prediction of DNA binding, catalytic, and transposition activities that are a hybrid of RAG and RAGL-B. Similarly, the terminal inverted repeats (TIRs) of the RAGL-A transposons combine features of both RAGL-B transposon TIRs and RAG recombination signal sequences. Unlike all previously described RAG2L proteins, PflRAG2L-A and echinoderm RAG2L-A contain an acidic hinge region, which we demonstrate is capable of efficiently inhibiting RAG-mediated transposition. Our findings provide evidence for a critical intermediate in RAG evolution and argue that certain adaptations thought to be specific to jawed vertebrates (e.g., the RAG2 acidic hinge) actually arose in invertebrates, thereby focusing attention on other adaptations as the pivotal steps in the completion of RAG domestication in jawed vertebrates.