Abstract Cnidocytes are the explosive stinging cells found only in cnidarians (corals, jellyfish, etc). Specialized for prey capture and defense, cnidocytes are morphologically complex and vary widely in form and function across taxa; how such diversity evolved is unknown. Using CRISPR/Cas9-mediated genome editing in the burrowing sea anemone Nematostella vectensis , we show that a single transcription factor ( NvSox2 ) acts as a binary switch between two alternative cnidocyte fates. Knockout of NvSox2 caused a complete transformation of nematocytes (piercing cells) into spirocytes (ensnaring cells). The type of spirocyte induced by NvSox2 knockout (robust spirocyte) is not normally found in N. vectensis but is common in sea anemones from other habitats. Homeotic control of cell fate provides a mechanistic explanation for the discontinuous distribution of cnidocyte types across cnidarians and demonstrates how simple counts of cell types can underestimate biodiversity.

Abstract Coral reefs are important for maintaining healthy marine ecosystems and are declining rapidly due to increasing environmental stresses. Coral conservation efforts require a mechanistic understanding of how these stresses may disrupt biomineralization, but progress in this area has been slow primarily because corals are not easily amenable to laboratory research. Some cellular characteristics of biomineralization are well characterized, such as the role of carbonic anhydrases, the polarized secretion of ions, and the secretion of “intrinsically disordered proteins” (IDPs) into extracellular microenvironments. We highlight how the starlet sea anemone ( Nematostella vectensis ) can serve as a tractable model to interrogate the cellular mechanisms of coral biomineralization. We have developed transgenic constructs using genes involved in biomineralization from several animal phyla that can be injected into Nematostella zygotes. These constructs are designed so translated proteins may be purified using TEV protease or Histidine tags to study their physicochemical properties. Using a fluorescent tag, we confirm ectopic expression of the coral biomineralizing protein SpCARP1 in live Nematostella embryos and adults and demonstrate via calcein staining that calcium ions co-localize with SpCARP1 in carbonate and calcium enriched seawater. Our findings suggest that SpCARP1 can induce the formation of amorphous calcium carbonate precursors in N. vectensis , consistent with its suspected role in the early stages of coral biomineralization. These results lay a fundamental groundwork for establishing N. vectensis as a novel in vivo system to explore the evolutionary and cellular mechanisms of biomineralization, improve coral conservation efforts, and even develop novel biomaterials. Graphical Abstract

In Drosophila, the receptor tyrosine kinase Alk and its ligand Jeb are required to drive founder cell (FC) specification in the visceral mesoderm (VM). Alk-signalling activates downstream MAPK/ERK- and PI3K-pathways in human and Drosophila but little is known about immediate downstream signalling events. Here we report that the scaffolding protein Cnk interacts directly with Alk via a novel c-terminal binding motif. Cnk is required for Alk-signalling as ectopic expression of the minimal interaction motif as well as loss of maternal and zygotic cnk blocks visceral FC-formation, resembling the phenotype of jeb and Alk mutants. We also show that the Cnk-interactor Aveugle/Hyphen (Ave/HYP) is critical, while the (pseudo-) kinase Ksr is not required for Alk-signalling in the developing VM. Taken together, Cnk and Ave represent the first molecules downstream of Alk whose loss genocopies the lack of visceral FC-specification of Alk and jeb mutants indicating an essential role in Alk-signalling.

ABSTRACT Differential regulation of gene expression has produced the astonishing diversity of life on Earth. Understanding the origin and evolution of mechanistic innovations for control of gene expression is therefore integral to evolutionary and developmental biology. Cytoplasmic polyadenylation is the biochemical extension of polyadenosine at the 3’-end of cytoplasmic mRNAs. This process regulates the translation of specific maternal transcripts and is mediated by the Cytoplasmic Polyadenylation Element Binding Protein family (CPEBs). Genes that code for CPEBs are amongst a very few that are present in animals but missing in non-animal lineages. Whether cytoplasmic polyadenylation is present in non bilaterian animals ( i.e. , sponges, ctenophores, placozoans, cnidarians) remains unknown. We have conducted phylogenetic analyses of CPEBs and our results show that CPEB1 and CPEB2 subfamilies originated in the animal stem lineage. Our assessment of expression in the sea anemone, Nematostella vectensis (Cnidaria), and the comb jelly, Mnemiopsis leidyi (Ctenophora), demonstrates that maternal expression of CPEB1 and the catalytic subunit of the cytoplasmic polyadenylation machinery (GLD2) is an ancient feature that is conserved across animals. Furthermore, our measurements of poly(A)-tail elongation reveal that key targets of cytoplasmic polyadenylation are shared between vertebrates, cnidarians, and ctenophores, indicating that this mechanism orchestrates a regulatory network that is conserved throughout animal evolution. We postulate that cytoplasmic polyadenylation through CPEBs was a fundamental innovation that contributed to animal evolution from unicellular life.