Ultrastructural and immunohistochemical studies of the development of the nervous system and the mesoderm in Enteropneusta and Pterobranchia in order to elucidate deuterostome evolution

Abstract

Deuterostomia consists of three higher taxa, Echinodermata, Hemichordata, and Chordata. Members of the Chordata are characterized by a number of features, e.g. notochord, neural tube, pharyngeal gill slits, post-anal tail, or characteristic left-right (LR) asymmetries in the organization of certain structures. However, the evolutionary origin of each of the aforementioned features is still far from being understood. Until today, no consensus has been reached regarding phylogenetic relationships among deuterostome taxa, especially regarding non-chordate deuterostomes. While analyses of molecular data in general support a taxon Ambulacraria consisting of Hemichordata and Echinodermata, most morphological studies foster arguments to unite Enteropneusta (or Hemichordata) and Chordata. These arguments include the presence of a dorsal hollow neural tube, pharyngeal gill slits and a trimeric organization of the coelomic cavities. Although most of these morphological similarities between Hemichordata and Chordata have long been acknowledged, the development and ultrastructure of these organ systems remain largely understudied in hemichordates. For this purpose, the present study elucidates the development of the mesoderm and nervous system in Saccoglossus kowalevskii (Enteropneusta) and Cephalodiscus gracilis (Pterobranchia) using TEM, SEM, histology, computer aided 3D-reconstruction, and immunohistochemical analyses using confocal laser scanning microscopy. The data from this study show that the collar cord within the mesosomal region in S. kowalevskii develops by invagination of a middorsal plate that is closed in a posterior to anterior direction by enclosing a central fluid-filled canal. The final collar cord is surrounded by a sheath of extracellular matrix and lies subepidermal in position. The dorsal brain within the mesosome of C. gracilis consists of an anterodorsal cluster of serotonergic somata and a posterior neuropil with a dense network of neurites. According to further ultrastructural details as synaptic vesicles, different neuronal cell types and a separation into somata and neuropil, the collar cord of enteropneusts and the dorsal brain of pterobranchs are suggested to represent integrative centres of the nervous system. During early development of S. kowalevskii the five main coelomic cavities (single protocoel, paired mesocoel and metacoel) derive as separate outpocketings from the endoderm via enterocoely. In contrast, the pericardium, a small sixth coelomic cavity within the anterior protocoel derives from the ectoderm via schizocoely. Later on, pharyngeal gill slits develop as endodermal pouches that fuse with the ectoderm to form dorsolateral openings within the trunk region of S. kowalevskii. Moreover, the gill slits and skeletal rods develop asymmetrically, i.e. faster on the left body half. The ventral post-anal tail of the harrimaniid S. kowalevskii comprises a posterior extension of the paired metacoel of the trunk and is filled by mesodermal muscle cells. There is no specialized skeletal element, no strand of endodermal tissue, and no accompanying neural tube present as seen in the dorsal post-anal tail of chordates. Concluding, the detailed analysis of the development of the collar cord, pharyngeal gill slits and formation of the coelomic cavities in hemichordates altogether support previously acknowledged similarities with the corresponding structures found in chordates, i.e. neural tube, gill slits, and coelom formation. Furthermore, the data presented here lead to suggest homology between these structures, rejecting the assumptions of homoplasy previously made by others. Following this, morphological data from this study support a closer relationship between Hemichordata and Chordata.

Die Deuterostomia umfassen drei höhere Taxa, Echinodermata, Hemichordata und Chordata. Dabei zeichnen sich Mitglieder aus der Gruppe der Chordata durch eine Mehrzahl von charakteristischen Eigenschaften aus, so z.B. Notochord, Neuralrohr, Kiemenspalten, post-analer Schwanz oder links-rechts Asymmetrien bestimmter Strukturen. Der evolutionäre Ursprung jeder dieser Eigenschaften ist jedoch nicht einmal ansatzweise verstanden. Bis heute sind die Verwandtschaftsverhältnisse der einzelnen Deuterostomiertaxa ungeklärt, insbesondere die Stellung der nicht-chordaten Deuterostomier. Während die molekularen Analysen ein Taxon Ambulacraria unterstützen, sehen die meisten morphologischen Studien Argumente für ein näheres Verwandtschaftsverhältnis zwischen Enteropneusten (bzw. Hemichordaten) und Chordaten. Obwohl es seit langem Hinweise auf morphologische Übereinstimmungen zwischen Hemichordaten und Chordaten gibt, sind die Entwicklung und die Ultrastruktur dieser Organsysteme bei den Hemichordaten bislang zu wenig untersucht. Aus diesem Grund ist es Gegenstand dieser Studie, die Entwicklung des Mesoderms und Nervensystems in Saccoglossus kowalevskii (Enteropneusta) und Cephalodiscus gracilis (Pterobranchia) mittels TEM, REM, Histologie, computergestützter 3D- Rekonstruktion und Immunohistochemie zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass sich das Kragenmark in der Mesosomaregion bei S. kowalevskii durch Invagination der dorsalen Neuralplatte bildet. Dabei schließt sich das Kragenmark in posteriorer nach anteriorer Richtung und umschließt einen zentralen, flüssigkeitsgefüllten Kanal. In seiner endgültigen Position ist das Kragenmark von ecm umgeben und liegt subepidermal im Mesocoel. Das dorsale Gehirn im Mesosoma von C. gracilis besteht aus einer anterodorsalen Ansammlung von serotonergen Somata und einem posterioren Neuropil mit einem dichten Netzwerk an Neuriten. Darüber hinaus sprechen weitere ultrastrukturelle Details wie synaptischen Vesikeln, verschiedenen Neuronentypen und einer Unterteilung in Somata- und Neuropilbereich dafür, dass es sich sowohl bei dem Kragenmark der Enteropneusten als auch bei dem dorsalen Gehirn der Pterobranchier um integrative Teile des Nervensystems handelt. Während der frühen Ontogenese von S. kowalevskii entstehen die fünf Coelomräume (einzelnes Protocoel, jeweils paarige Meso- und Metacoele) als voneinander getrennte Darmtaschen vom Endoderm durch Enterocoelie. Das Perikardium als kleines, sechstes Coelom hingegen stammt aus dem Ektoderm und wird durch Schizocoelie gebildet. Später in der Entwicklung von S. kowalevskii entstehen die Kiemespalten als Ausbuchtungen des Endoderms, die durch Zusammenwachsen mit dem Ektoderm im Rumpfbereich dorsolaterale Öffnungen bilden. Die Bildung der Kiemenspalten und zugehörigen Kiemenspangen geschieht asymmetrisch, d.h. diese Strukturen entwickeln sich auf der linken Körperseite schneller bzw. zuerst. Der ventrale post-anale Schwanz des harrimaniiden S. kowalevskii besteht aus einer posterioren Erweiterung des Metacoels des Rumpfes und ist mit mesodermalen Muskelzellen ausgefüllt. Im post-analen Schwanz von S. kowalevskii konnte ganz im Gegensatz zum dorsalen Chordatenschwanz kein spezieller Skelettstab, kein endodermaler Gewebestrang und auch kein begleitendes Neuralrohr dokumentiert werden. Zusammenfassend kann festhalten werden, dass die detaillierte Untersuchung der Entwicklung des Kragenmarks, der Kiemenspalten und der Bildung der Coelomräume in Hemichordaten, die zuvor erkannten Gemeinsamkeiten zu entsprechenden Strukturen bei Chordaten, d.h. Neuralrohr, Kiemenspangen und Coelomentwicklung, weiter unterstützen. Die hier präsentierten Ergebnisse stärken als weitere Argumente eine Homologie zwischen den genannten Strukturen, und schwächen zugleich die Annahmen von Homoplasien, wie von anderen Autoren vorgeschlagen. Auf der Basis von morphologischen Daten wird demzufolge ein Schwestergruppenverhältnis von Hemichordata und Chordata vorgeschlagen.