Abstract The size of an animal is determined by the size of its musculoskeletal system. Myoblast fusion is an innovative mechanism that allows for multinucleated muscle fibers to compound the size and strength of individual mononucleated cells. However, the evolutionary history of the control mechanism underlying this important process is currently unknown. The phylum Chordata hosts closely related groups that span distinct myoblast fusion states: no fusion in cephalochordates, restricted fusion and multinucleation in tunicates, and extensive, obligatory fusion in vertebrates. To elucidate how these differences may have evolved, we studied the evolutionary origins and function of membrane-coalescing agents Myomaker and Myomixer in various groups of chordates. Here we report that Myomaker likely arose through gene duplication in the last common ancestor of tunicates and vertebrates, while Myomixer appears to have evolved de novo in early vertebrates. Functional tests revealed an unexpectedly complex evolutionary history of myoblast fusion in chordates. A pre-vertebrate phase of muscle multinucleation driven by Myomaker was followed by the later emergence of Myomixer that enables the highly efficient fusion system of vertebrates. Thus, our findings reveal the evolutionary origins of chordate-specific fusogens and illustrate how new genes can shape the emergence of novel morphogenetic traits and mechanisms.

Tunicates are the sister group to the vertebrates, yet most species have a life cycle split between swimming larva and sedentary adult phases. During metamorphosis, larval neurons are replaced by adult-specific ones. The regulatory mechanisms underlying this replacement remain largely unknown. Using tissue-specific CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis in the tunicate Ciona, we show that orthologs of conserved hindbrain and branchiomeric neuron regulatory factors Pax2/5/8 and Phox2 are required to specify the 'neck', a cellular compartment set aside in the larva to give rise to cranial motor neuron-like neurons post-metamorphosis. Using bulk and single-cell RNA-sequencing analyses, we characterize the transcriptome of the neck downstream of Pax2/5/8. We present evidence that neck-derived adult ciliomotor neurons begin to differentiate in the larva and persist through metamorphosis, contrary to the assumption that the adult nervous system is formed after settlement and the death of larval neurons during metamorphosis. Finally, we show that FGF signaling during the larval phase alters the patterning of the neck and its derivatives. Suppression of FGF converts neck cells into larval neurons that fail to survive metamorphosis, whereas prolonged FGF signaling promotes an adult neural stem cell-like fate.

Abstract The papillae of tunicate larvae contribute sensory, adhesive, and metamorphosis-regulating functions that are crucial for the biphasic lifestyle of these marine, non-vertebrate chordates. We have identified additional molecular markers for at least five distinct cell types in the papillae of the model tunicate Ciona, allowing us to further study the development of these organs. Using tissue-specific CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis and other molecular perturbations, we reveal the roles of key transcription factors and signaling pathways that are important for patterning the papilla territory into a highly organized array of different cell types and shapes. We further test the contributions of different transcription factors and cell types to the production of the adhesive glue that allows for larval attachment during settlement, and to the processes of tail retraction and body rotation during metamorphosis. With this study, we continue working towards connecting gene regulation to cellular functions that control the developmental transition between the motile larva and sessile adult of Ciona .

Abstract Vertebrates and tunicates are sister groups that share a common fusogenic factor, Myomaker (Mymk), that drives myoblast fusion and muscle multinucleation. Yet they are divergent in when and where they express Mymk. In vertebrates, all developing skeletal muscles express Mymk and are obligately multinucleated. In tunicates, Mymk is only expressed in post-metamorphic multinucleated muscles, but is absent from mononucleated larval muscles. In this study, we demonstrate that cis- regulatory sequence differences in the promoter region of Mymk underlie the different spatiotemporal patterns of its transcriptional activation in tunicates and vertebrates. While in vertebrates Myogenic Regulatory Factors (MRFs) like MyoD1 alone are required and sufficient for Mymk transcription in all skeletal muscles, we show that transcription of Mymk in post-metamorphic muscles of the tunicate Ciona requires the combinatorial activity of MRF/MyoD and Early B-Cell Factor (Ebf). This macroevolutionary difference appears to be encoded in cis, likely due to the presence of a putative Ebf binding site adjacent to predicted MRF binding sites in the Ciona Mymk promoter. We further discuss how Mymk and myoblast fusion might have been regulated in the last common ancestor of tunicates and vertebrates, for which we propose two models.

Tunicates are marine, non-vertebrate chordates that comprise the sister group to the vertebrates. Most tunicates have a biphasic lifecycle that alternates between a swimming larva and a sessile adult. Recent advances have shed light on the neural basis for the tunicate larva's ability to sense a proper substrate for settlement and initiate metamorphosis. Work in the highly tractable laboratory model tunicate Ciona robusta suggests that sensory neurons embedded in the anterior papillae of transduce mechanosensory stimuli to trigger larval tail retraction and initiate the process of metamorphosis. Here, we take advantage of the low-cost and simplicity of Ciona by using tissue-specific CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis to screen for genes potentially involved in mechanosensation and metamorphosis, in the context of an undergraduate "capstone" research course. This small screen revealed at least one gene, Vamp1/2/3 , that appears crucial for the ability of the papillae to trigger metamorphosis. We also provide step-by-step protocols and tutorials associated with this course, in the hope that it might be replicated in similar CRISPR-based laboratory courses wherever Ciona are available.