ABSTRACT Loss of the brain’s functional ability is a common symptom of aging and neurodegenerative diseases 1,2 . While the genetic and molecular mechanisms underlying human neurodegeneration are studied in-depth 3–6 , very little is known about the evolutionary origin of these traits and their involvement in loss of nervous system function in aged invertebrate species. Here we study evolutionarily conserved elements of brain degeneration using the colonial chordate model species Botryllus schlosseri. B. schlosseri reproduces both sexually and asexually 7 , with adult brains regenerating and degenerating multiple times throughout its adult life. Combining microscopy, transcriptomics and behavioral assays, we characterized adult brains from diverse stages and ages. We found that the number of neurons fluctuates each week, reaching a maximum of ∼1000 cells, and thereafter decreasing while the number of immunocytes increases. Comparing the number of neurons in the adult brains of young and old colonies, we found that older brains are smaller and contain fewer cells. Both during weekly degeneration cycles and overall with age, the decrease in neuron number correlates with reduced response to stimuli and with significant changes in the expression of genes with mammalian homologs associated with neural stem cells and neurodegenerative pathways. These results suggest persistent neural stem cell activity across ages and that cellular and molecular mechanisms of neurodegeneration are evolutionary conserved between tunicates and humans.

Abstract Expression levels of circadian clock genes, which regulate 24-hour rhythms of behavior and physiology, have been shown to change with age. However, a study holistically linking aging and circadian gene expression is missing. Using the colonial chordate Botryllus schlosseri , we combined transcriptome sequencing and stem cell-mediated aging phenomena to test how circadian gene expression changes with age. This revealed that B. schlosseri clock and clock-controlled genes oscillate organism-wide, with daily, age-specific amplitudes and frequencies. These age-related, circadian patterns persist at the tissue level, where dramatic variations in cyclic gene expression of tissue profiles link to morphological and cellular aging phenotypes. Similar cyclical expression differences were found in hundreds of pathways associated with known hallmarks of aging, as well as pathways that were not previously linked to aging. The atlas we developed points to alterations in circadian gene expression as a key regulator of aging. One Sentence Summary The Ticking Clock: Systemic changes in circadian gene expression correlates with wide-ranging phenotypes of aging

Vertebrates have evolved the most sophisticated nervous systems we know. These differ from the nervous systems of invertebrates in several ways, including the evolution of new cell types, and the emergence and elaboration of patterning mechanisms to organise cells in time and space. Vertebrates also generally have many more cells in their central nervous systems than invertebrates, and an increase in neural cell number may have contributed to the sophisticated anatomy of the brain and spinal cord. Here we study how increased cell number evolved in the vertebrate central nervous system, investigating the regulation of cell proliferation in lampreys as basally-diverging vertebrate, and focusing on the spinal cord because of its relatively simple anatomy. Markers of proliferating cells show that a medial proliferative progenitor zone is found throughout the lamprey spinal cord. We show that inhibition of Notch signalling disrupts the maintenance of this proliferative zone. When Notch signalling is blocked progenitor cells differentiate precociously, the proliferative medial zone is lost, and differentiation markers activate throughout the medial-lateral axis of the spinal cord. Comparison to other chordates suggests that the emergence of a persistent Notch-regulated proliferative progenitor zone in the medial spinal cord of vertebrate ancestors was a critical step for the evolution of the vertebrate spinal cord and its complexity.

All chordates, including urochordates such as tunicates, develop through embryogenesis. The chordate larvae of colonial tunicates metamorphose to lose all chordate structures such as notochord, neural tube, segmented musculature, and then develop by asexual reproduction [blastogenesis], whereby stem cells form tissues and organs. These two developmental pathways establish the same body axis, morphogenetic patterning and organ formation. It is unknown if this convergent morphology implies convergent cellular and molecular mechanisms, and whether the stem cells that mediate these processes differ. Using the colonial tunicate Botryllus schlosseri, we combined transcriptome sequencing and multiple microscopy techniques to study the molecular and morphological signatures of cells at each developmental stage of embryogenesis and blastogenesis. This revealed that the molecular programs are distinct, but the blastogenic tissue-specific stem cells and embryonic precursor populations share similar molecular profiles. By comparing embryogenesis in other chordates we found shared developmental principles, highlighting transcription factors as key evolutionary conserved elements. This study establishes a platform for advancing the science of stem cell biology and regulation of development and regeneration.

In this work, the authors proposed a novel and interesting animal model for studying human neurodegenerative diseases, Botryllus schlosseri, a small invertebrate inhabiting temperate seas worldwide, which shares remarkable similarities with mammals in the expression of genes involved in pathological aging.