Evolution of extreme stomach pH in bilateria inferred from gastric alkalization mechanisms in basal deuterostomes

The stomachs of most vertebrates operate at an acidic pH of 2 generated by the gastric H+/K+-ATPase located in parietal cells. The acidic pH in stomachs of vertebrates is believed to aid digestion and to protect against environmental pathogens. Little attention has been placed on whether acidic gastric pH regulation is a vertebrate character or a deuterostome ancestral trait. Here, we report alkaline conditions up to pH 10.5 in the larval digestive systems of ambulacraria (echinoderm + hemichordate), the closest relative of the chordate. Microelectrode measurements in combination with specific inhibitors for acid-base transporters and ion pumps demonstrated that the gastric alkalization machinery in sea urchin larvae is mainly based on direct H+ secretion from the stomach lumen and involves a conserved set of ion pumps and transporters. Hemichordate larvae additionally utilized HCO3- transport pathways to generate even more alkaline digestive conditions. Molecular analyses in combination with acidification experiments supported these findings and identified genes coding for ion pumps energizing gastric alkalization. Given that insect larval guts were also reported to be alkaline, our discovery raises the hypothesis that the bilaterian ancestor utilized alkaline digestive system while the vertebrate lineage has evolved a strategy to strongly acidify their stomachs.

Developmental expression of a class IV POU gene in the gastropod Haliotis asinina supports a conserved role in sensory cell development in bilaterians

POU-IV genes regulate neuronal development in a number of deuterostomes (chordates) and ecdysozoans (arthropods and nematodes). Currently their function and expression in the third bilaterian clade, the Lophotrochozoa, comprising molluscs, annelids and. their affiliates, is unclear. Herein we characterise the developmental expression of HasPOU-IV in the gastropod mollusc, Haliotis asinina. The POU-IV gene is transiently expressed in I I distinct larval territories during the first 3 days of development. HasPOU-IV is first expressed in sets of ventral epidermal cells in the newly hatched trochophore larvae. As larval morphogenesis proceeds, we observe HasPOU-IV transcripts in cells that putatively form a range of sensory systems including chemo- and mechanosensory cells in the foot, cephalic tentacles, the ctenidia. the geosensory statocyst and the eyes. By comparing HasPOU-IV expression with POU-IV genes in other bilaterians we infer that this class of POU-domain genes had an ancestral role in regulating sensory cell development.

Proteomics based approach to understand tissue regeneration

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biochemistry

How much does the amphioxus genome represent the ancestor of chordates?

One of the main motivations to study amphioxus is its potential for understanding the last common ancestor of chordates, which notably gave rise to the vertebrates. An important feature in this respect is the slow evolutionary rate that seems to have characterized the cephalochordate lineage, making amphioxus an interesting proxy for the chordate ancestor, as well as a key lineage to include in comparative studies. Whereas slow evolution was first noticed at the phenotypic level, it has also been described at the genomic level. Here, we examine whether the amphioxus genome is indeed a good proxy for the genome of the chordate ancestor, with a focus on protein-coding genes. We investigate genome features, such as synteny, gene duplication and gene loss, and contrast the amphioxus genome with those of other deuterostomes that are used in comparative studies, such as Ciona, Oikopleura and urchin.

The amphioxus genome illuminates vertebrate origins and cephalochordate biology.

Cephalochordates, urochordates, and vertebrates evolved from a common ancestor over 520 million years ago. To improve our understanding of chordate evolution and the origin of vertebrates, we intensively searched for particular genes, gene families, and conserved noncoding elements in the sequenced genome of the cephalochordate Branchiostoma floridae, commonly called amphioxus or lancelets. Special attention was given to homeobox genes, opsin genes, genes involved in neural crest development, nuclear receptor genes, genes encoding components of the endocrine and immune systems, and conserved cis-regulatory enhancers. The amphioxus genome contains a basic set of chordate genes involved in development and cell signaling, including a fifteenth Hox gene. This set includes many genes that were co-opted in vertebrates for new roles in neural crest development and adaptive immunity. However, where amphioxus has a single gene, vertebrates often have two, three, or four paralogs derived from two whole-genome duplication events. In addition, several transcriptional enhancers are conserved between amphioxus and vertebrates--a very wide phylogenetic distance. In contrast, urochordate genomes have lost many genes, including a diversity of homeobox families and genes involved in steroid hormone function. The amphioxus genome also exhibits derived features, including duplications of opsins and genes proposed to function in innate immunity and endocrine systems. Our results indicate that the amphioxus genome is elemental to an understanding of the biology and evolution of nonchordate deuterostomes, invertebrate chordates, and vertebrates.

One billion years of bZIP transcription factor evolution: conservation and change in dimerization and DNA-binding site specificity.

The genomic era has revealed that the large repertoire of observed animal phenotypes is dependent on changes in the expression patterns of a finite number of genes, which are mediated by a plethora of transcription factors (TFs) with distinct specificities. The dimerization of TFs can also increase the complexity of a genetic regulatory network manifold, by combining a small number of monomers into dimers with distinct functions. Therefore, studying the evolution of these dimerizing TFs is vital for understanding how complexity increased during animal evolution. We focus on the second largest family of dimerizing TFs, the basic-region leucine zipper (bZIP), and infer when it expanded and how bZIP DNA-binding and dimerization functions evolved during the major phases of animal evolution. Specifically, we classify the metazoan bZIPs into 19 families and confirm the ancient nature of at least 13 of these families, predating the split of the cnidaria. We observe fixation of a core dimerization network in the last common ancestor of protostomes-deuterostomes. This was followed by an expansion of the number of proteins in the network, but no major dimerization changes in interaction partners, during the emergence of vertebrates. In conclusion, the bZIPs are an excellent model with which to understand how DNA binding and protein interactions of TFs evolved during animal evolution.

Acoel flatworms are not Platyhelminthes: evidence from phylogenomics

Acoel flatworms are small marine worms traditionally considered to belong to the phylum Platyhelminthes. However, molecular phylogenetic analyses suggest that acoels are not members of Platyhelminthes, but are rather extant members of the earliest diverging Bilateria. This result has been called into question, under suspicions of a long branch attraction (LBA) artefact. Here we re-examine this problem through a phylogenomic approach using 68 different protein-coding genes from the acoel Convoluta pulchra and 51 metazoan species belonging to 15 different phyla. We employ a mixture model, named CAT, previously found to overcome LBA artefacts where classical models fail. Our results unequivocally show that acoels are not part of the classically defined Platyhelminthes, making the latter polyphyletic. Moreover, they indicate a deuterostome affinity for acoels, potentially as a sister group to all deuterostomes, to Xenoturbellida, to Ambulacraria, or even to chordates. However, the weak support found for most deuterostome nodes, together with the very fast evolutionary rate of the acoel Convoluta pulchra, call for more data from slowly evolving acoels (or from its sister-group, the Nemertodermatida) to solve this challenging phylogenetic problem.

Morphologie évolutive et fonctionnelle des hémichordés

L’embranchement Hemichordata regroupe les classes Enteropneusta et Pterobranchia. Hemichordata constitue, avec l’embranchement Echinodermata, le groupe-frère des chordés. Les entéropneustes sont des organismes vermiformes solitaires qui vivent sous ou à la surface du substrat et s’alimentent généralement par déposivorie, alors que les ptérobranches sont des organismes coloniaux filtreurs habitant dans un réseau de tubes appelé coenecium. Ce mémoire présente trois études dont le point commun est l’utilisation des hémichordés actuels pour répondre à des questions concernant l’évolution des hémichordés, des chordés, et du super-embranchement qui les regroupe, Deuterostomia. Notre première étude démontre que les fentes pharyngiennes, l’organe pré-oral cilié (POCO) et le pharynx de l’entéropneuste Protoglossus graveolens sont utilisés pour l’alimentation par filtration. Le système de filtration de P. graveolens permet la capture de particules jusqu’à 1.3 um, à un débit de 4.05 mm.s-1, pour une demande énergétique de 0.009 uW. Les similarités structurales et fonctionnelles avec le système de filtration des céphalochordés suggèrent que la filtration pharyngienne est ancestrale aux deutérostomes. Lors de notre deuxième étude, nous avons exploré l’hypothèse selon laquelle le POCO des entéropneustes, une structure ciliée pré-buccale au rôle possiblement chémorécepteur, serait homologue au « wheel organ » des céphalochordés et à l’adénohypophyse des vertébrés. Pour cela, nous avons déterminé par immunohistochimie l’expression de Pit-1, un facteur de transcription spécifique à ces deux structures, chez l’entéropneuste Saccoglossus pusillus. Pit-1 est exprimé dans des cellules sensorielles du POCO, mais aussi dans des cellules épithéliales distribuées dans le proboscis, collet et tronc. Ce patron d’expression ne permet pas de confirmer ou rejeter l’homologie du POCO et de l’adénohypophyse des vertébrés. Lors de notre troisième étude, nous avons caractérisé l’ultrastructure du coenecium des ptérobranches Cephalodiscus hodgsoni, Cephalodiscus nigrescens et Cephalodiscus densus par microscopie électronique à transmisison et à balayage. Cephalodiscus est le groupe frère de Graptolithina, un groupe qui inclut les graptolithes éteints ainsi que les ptérobranches du genre Rhabdopleura. Nous avons décrit les types de fibrilles de collagène présents, leur taille et leur organisation, ainsi que l’organisation globale du coenecium. Nous avons ainsi démontré la présence chez Cephalodiscus d’une organisation similaire au paracortex, pseudocortex et eucortex des graptolithes. La présence chez Cephalodiscus de ce type d’organisation suggère que le cortex est ancestral à la classe Pterobranchia. Ces trois études illustrent plusieurs axes importants de la recherche sur les hémichordés, qui en intégrant des données morphologiques, fonctionnelles et moléculaires permet de reconstruire certains évènements clés de l’évolution des deutérostomes.

A computational fluid dynamic study on the filtering mechanics in suspension feeding marine invertebrates

Les suspensivores ont la tâche importante de séparer les particules de l'eau. Bien qu'une grande gamme de morphologies existe pour les structures d'alimentation, elles sont pratiquement toutes constituées de rangées de cylindres qui interagissent avec leur environnement fluide. Le mécanisme de capture des particules utilisé dépend des contraintes morphologiques, des besoins énergétiques et des conditions d'écoulement. Comme nos objectifs étaient de comprendre ces relations, nous avons eu recours à des études de comparaison pour interpréter les tendances en nature et pour comprendre les conditions qui provoquent de nouveaux fonctionnements. Nous avons utilisé la dynamique des fluides numérique (computational fluid dynamics, CFD) pour créer des expériences contrôlées et pour simplifier les analyses. Notre première étude démontre que les coûts énergétiques associés au pompage dans les espaces petits sont élevés. De plus, le CFD suggère que les fentes branchiales des ptérobranches sont des structures rudimentaires, d'un ancêtre plus grande. Ce dernier point confirme l'hypothèse qu'un ver se nourrit par filtration tel que l'ancêtre des deuterostomes. Notre deuxième étude détermine la gamme du nombre de Reynolds number critique où la performance d'un filtre de balane change. Quand le Re est très bas, les différences morphologiques n'ont pas un grand effet sur le fonctionnement. Cependant, une pagaie devient une passoire lorsque le Re se trouve entre 1 et 3,5. Le CFD s’est dévoilé être un outil très utile qui a permis d’obtenir des détails sur les microfluides. Ces études montrent comment la morphologie et les dynamiques des fluides interagissent avec la mécanisme de capture ou de structures utilisées, ainsi que comment des petits changements de taille, de forme, ou de vitesse d'écoulement peuvent conduire à un nouveau fonctionnement.

Développement du squelette du crinoïde Florometra serratissima et évolution des protéines de la matrice de spicules chez les ambulacraires

Les crinoïdes sont bien connus pour leurs fossiles, mais la biominéralisation de leurs stades larvaires n’est que peu documentée. La première partie du projet présente le développement des ossicules des trois stades larvaires du comatule Florometra serratissima : doliolaria, cystidienne et pentacrinoïde. Les ossicules du crinoïde démontraient de la plasticité phénotypique et de la désynchronisation dans leur développement. Les crinoïdes étant la classe basale des échinodermes modernes, ceci porte à croire que ces traits étaient aussi caractéristiques des échinodermes ancestraux et auraient joué un rôle dans la radiation hâtive et la grande disparité des échinodermes. Pour notre deuxième étude, comme les patrons de morphologie des crinoïdes et des autres échinodermes sont nombreux et sont régulés par des protéines spécifiques, nous avons vérifié la présence de quatre familles de protéines de la matrice de spicules (SMAP) connues chez les oursins dans les transcriptomes des autres échinodermes et d’autres deutérostomes. La famille des spicules matrix (SM) et l’anhydrase carbonique CARA7LA étaient absentes chez tout autre organisme que les oursins, les protéines spécifiques au mésenchyme (MSP130) étaient présentes en nombres différents chez tous les ambulacraires suggérant de multiples duplications et pertes, et les métalloprotéases étaient nombreuses chez chacun. Le développement des ossicules chez les échinodermes est un sujet qui a gagné en popularité au cours des dernières décennies, spécialement chez les oursins, et inclure les crinoïdes dans ce type d’étude permettra de nous renseigner sur l’origine et l’évolution des échinodermes modernes.

The timing of eukaryotic evolution: Does a relaxed molecular clock reconcile proteins and fossils?

The use of nucleotide and amino acid sequences allows improved understanding of the timing of evolutionary events of life on earth. Molecular estimates of divergence times are, however, controversial and are generally much more ancient than suggested by the fossil record. The limited number of genes and species explored and pervasive variations in evolutionary rates are the most likely sources of such discrepancies. Here we compared concatenated amino acid sequences of 129 proteins from 36 eukaryotes to determine the divergence times of several major clades, including animals, fungi, plants, and various protists. Due to significant variations in their evolutionary rates, and to handle the uncertainty of the fossil record, we used a Bayesian relaxed molecular clock simultaneously calibrated by six paleontological constraints. We show that, according to 95% credibility intervals, the eukaryotic kingdoms diversified 950-1,259 million years ago (Mya), animals diverged from choanoflagellates 761-957 Mya, and the debated age of the split between protostomes and deuterostomes occurred 642-761 Mya. The divergence times appeared to be robust with respect to prior assumptions and paleontological calibrations. Interestingly, these relaxed clock time estimates are much more recent than those obtained under the assumption of a global molecular clock, yet bilaterian diversification appears to be approximate to100 million years more ancient than the Cambrian boundary.

Phylogenetic relationships of the Fox (Forkhead) gene family in the Bilateria

The Forkhead or Fox gene family encodes putative transcription factors. There are at least four Fox genes in yeast, 16 in Drosophila melanogaster (Dm) and 42 in humans. Recently, vertebrate Fox genes have been classified into 17 groups named FoxA to FoxQ [Genes Dev. 14 (2000) 142]. Here, we extend this analysis to invertebrates, using available sequences from D. melanogaster, Anopheles gambiae (Ag), Caenorhabditis elegans (Ce), the sea squirt Ciona intestinalis (Ci) and amphioxus Branchiostoma floridae (Bf), from which we also cloned several Fox genes. Phylogenetic analyses lend support to the previous overall subclassification of vertebrate genes, but suggest that four subclasses (FoxJ, L, N and Q) could be further subdivided to reflect their relationships to invertebrate genes. We were unable to identify orthologs of Fox subclasses E, H, I, J, M and Q1 in D. melanogaster, A. gambiae or C. elegans, suggesting either considerable loss in ecdysozoans or the evolution of these subclasses in the deuterostome lineage. Our analyses suggest that the common ancestor of protostomes and deuterostomes had a minimum complement of 14 Fox genes. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Resposta comportamentiais do ouriço-do-mar preto a pistas químicas que indicam risco de predação

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Analysis of Schistosoma mansoni genes shared with Deuterostomia and with possible roles in host interactions

Abstract Background: Schistosoma mansoni is a blood helminth parasite that causes schistosomiasis, a disease that affects 200 million people in the world. Many orthologs of known mammalian genes have been discovered in this parasite and evidence is accumulating that some of these genes encode proteins linked to signaling pathways in the parasite that appear to be involved with growth or development, suggesting a complex co-evolutionary process. Results: In this work we found 427 genes conserved in the Deuterostomia group that have orthologs in S. mansoni and no members in any nematodes and insects so far sequenced. Among these genes we have identified Insulin Induced Gene (INSIG), Interferon Regulatory Factor (IRF) and vasohibin orthologs, known to be involved in mammals in mevalonate metabolism, immune response and angiogenesis control, respectively. We have chosen these three genes for a more detailed characterization, which included extension of their cloned messages to obtain full-length sequences. Interestingly, SmINSIG showed a 10-fold higher expression in adult females as opposed to males, in accordance with its possible role in regulating egg production. SmIRF has a DNA binding domain, a tryptophan-rich N-terminal region and several predicted phosphorylation sites, usually important for IRF activity. Fourteen different alternatively spliced forms of the S. mansoni vasohibin (SmVASL) gene were detected that encode seven different protein isoforms including one with a complete C-terminal end, and other isoforms with shorter C-terminal portions. Using S. mansoni homologs, we have employed a parsimonious rationale to compute the total gene losses/gains in nematodes, arthropods and deuterostomes under either the Coelomata or the Ecdysozoa evolutionary hypotheses; our results show a lower losses/gains number under the latter hypothesis. Conclusion: The genes discussed which are conserved between S. mansoni and deuterostomes, probably have an ancient origin and were lost in Ecdysozoa, being still present in Lophotrochozoa. Given their known functions in Deuterostomia, it is possible that some of them have been co-opted to perform functions related (directly or indirectly) to host adaptation or interaction with host signaling processes.

Phylogenomische Analysen bei Metazoen - Zur Stellung der Xenoturbellida und Syndermata

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die phylogenetischen Stellungen der Xenoturbellida (Deuterostomia) und der Syndermata (Protostomia) mit phylogenomischen Techniken untersucht. Auf methodischer Ebene konnte gezeigt werden, dass ribosomale Proteine aufgrund ihres mittleren bis hohen Konservierungsgrades, ihrer Häufigkeit in kleineren EST-Projekten, damit verbunden ihrer Häufigkeit in Datenbanken und ihres phylogenetischen Informationsgehalts nützliche Werkzeuge für phylogenetische Fragestellungen sind. Es konnte durch phylogenetische Rekonstruktionen und Hypothesentests auf Basis eines 11.912 Aminosäuren langen Datensatzes gezeigt werden, dass die Xenoturbellida innerhalb der Deuterostomia eine Schwestergruppenbeziehung zu den Ambulacraria eingehen. Diese Arbeit zeigt im Vergleich aller bisher durchgeführten Arbeiten die beste statistische Unterstützung für diese Topologie. Weiterhin konnte untermauert werden, dass die Urochordata vermutlich anstelle der Cephalochordata die Schwestergruppe der Vertebrata sind. Der Vergleich der publizierten Xenoturbella EST-Datensätze mit dem eigenen Datensatz ließ den Rückschluß zu, dass ESTs offenbar klar weniger anfällig gegen Kontaminationen mit Erbmaterial (DNA+RNA) anderer Spezies sind als PCR-Amplifikate genomischer oder mitochondrialer Gene. Allerdings bestimmt anscheinend der physiologische Zustand der Tiere die Repräsentation von Transkriptklassen wie Stressproteine und mitochondriale Transkripte. Die bakteriellen Transkripte in einem der EST-Datensätze stammen vermutlich von Chlamydien, die möglicherweise symbiontisch in Xenoturbella bocki leben. Im Bereich der Protostomia wurden drei EST-Projekte für Vertreter der Syndermata durchgeführt. Basierend auf drei verschiedenen Proteinalignment-Datensätzen von ca. 11.000 Aminosäuren Länge konnte gezeigt werden, dass die Syndermata innerhalb der Spiralia einzugruppieren sind und dass sie mit den Gnathostomulida das monophyletische Supertaxon Gnathifera bilden. Die genaue phylogenetische Position der Syndermata innerhalb der Spiralia konnte hingegen noch nicht eindeutig geklärt werden, ebenso wie kein kongruenter Beweis für die Existenz des Supertaxons Platyzoa gefunden werden konnte. Im Rahmen der Untersuchung der internen Phylogenie der Syndermata konnten drei der fünf konkurrierenden Hypothesen aufgrund der Paraphylie der Eurotatoria ausgeschlossen werden. Da keine Daten der Seisonidea in den Analysen implementiert waren, bleibt die Frage der internen Phylogenie der Syndermata letztlich offen. Klar ist jedoch, dass die Eurotatoria nicht wie bislang angenommen monophyletisch sind, da die räderorgantragenden Bdelloidea keinesfalls den morphologisch diesbezüglich ähnlichen Monogononta ähnlich sind, sondern den räderorganlosen Acanthocephala näher stehen. Die Abbildung der molekularen Phylogenie auf die morphologischen Verhältnisse zeigt, dass das Räderorgan (partiell oder komplett) offenbar kurz nach der Aufspaltung der Syndermata in Monogononta und Acanthocephala + Bdelloidea in der Acanthocephala + Bdelloidea-Linie reduziert wurde. Die Entstehung des einziehbaren hinteren Körperteils (Rostrum bei Bdelloidea bzw. Proboscis bei Acanthocephala) in der Acanthocephala + Bdelloidea-Linie könnte das Schlüsselereignis zur Entstehung des Endoparasitismus der Acanthocephala gewesen sein.