Botryllus schlosseri is a colonial urochordate that follows the chordate plan of development following sexual reproduction, but invokes a stem cell-mediated budding program during subsequent rounds of asexual reproduction. As urochordates are considered to be the closest living invertebrate relatives of vertebrates, they are ideal subjects for whole genome sequence analyses. Using a novel method for high-throughput sequencing of eukaryotic genomes, we sequenced and assembled 580 Mbp of the B. schlosseri genome. The genome assembly is comprised of nearly 14,000 intron-containing predicted genes, and 13,500 intron-less predicted genes, 40% of which could be confidently parceled into 13 (of 16 haploid) chromosomes. A comparison of homologous genes between B. schlosseri and other diverse taxonomic groups revealed genomic events underlying the evolution of vertebrates and lymphoid-mediated immunity. The B. schlosseri genome is a community resource for studying alternative modes of reproduction, natural transplantation reactions, and stem cell-mediated regeneration.

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

Summary Central nervous system (CNS) regeneration extent is highly diverse across the metazoans, with adult mammals demonstrating limited ability 1,2 . Understanding how neurons regenerate following injury remains a central challenge in regenerative medicine. Although conserved pathways associated with neural regeneration have been identified 3,4 , a study describing the stepwise morphogenetic changes that take place throughout a complete CNS regeneration is lacking. Utilizing the highly regenerative tunicate model Polycarpa mytiligera 5 , we characterized the morphological, cell proliferation, and transcriptomic dynamics that lead to entire CNS regeneration. The regenerated CNS of adult P. mytiligera expressed key neurodevelopmental markers that are not otherwise present in the adult CNS. Removal of the entire CNS resulted in high cell proliferation in the regenerated area. Transcriptome analysis revealed enhanced stem-cell related gene activity, with high expression of P53 and piRNA pathways preceding the activation of Notch, Wnt, and Nanos pathways. The CNS regeneration atlas created here depicts the transcriptomic landscape of the entire CNS regeneration process, revealing the core pathways that regulate neuronal response to injury, and the regeneration stage at which they are most pronounced. The molecular and cellular mechanisms controlling regenerative capacity that this atlas reveals could be used to develop approaches to enhancing neurogenesis in closely-related chordate species, including humans.

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.

Hematopoiesis is an essential process that evolved in multicellular animals. At the heart of this process are hematopoietic stem cells (HSCs), which are multipotent, self-renewing and generate the entire repertoire of blood and immune cells throughout life. Here we studied the hematopoietic system of Botryllus schlosseri, a colonial tunicate that has vasculature, circulating blood cells, and interesting characteristics of stem cell biology and immunity. Self-recognition between genetically compatible B. schlosseri colonies leads to the formation of natural parabionts with shared circulation, whereas incompatible colonies reject each other. Using flow-cytometry, whole-transcriptome sequencing of defined cell populations, and diverse functional assays, we identified HSCs, progenitors, immune-effector cells, the HSC niche, and demonstrated that self-recognition inhibits cytotoxic reaction. Our study implies that the HSC and myeloid lineages emerged in a common ancestor of tunicates and vertebrates and suggests that hematopoietic bone marrow and the B. schlosseri endostyle niche evolved from the same origin.