Molecular characterization of chaetae formation in annelida and other lophotrochozoa

Abstract

Annelida are a well-known group of segmented, worm-like organisms, whose most characteristic features are prominent, often bizarrely formed chaetae. These structures have long been discussed as being an autapomorphy of the annelid ancestor, as similar structures of other taxa, such as Myzostomida and Brachiopoda, were interpreted to be of independent evolutionary origin. The process of chaetae formation (chaetogenesis) has long been studied on the ultrastructural level, but many aspects remained poorly understood, as data from other levels of investigation are missing. Thus, the aim of this study is to characterize chaetae-specific cells on a novel level using a combined strategy of structural and molecular methods. In the process of the Platynereis dumerilii transcriptome and genome project, random in situ- hybridization screening revealed a set of marker candidates that provide the first-time opportunity to gain new insights into chaetogenesis. The cellular localization of these markers was investigated using ultrastructural, immunhistochemical and various in situ-hybridization methods, revealing fifteen molecular markers that specifically characterize two different cell types that are involved in chaetogenesis, namely the chaetoblast and the proximal follicle cells. Furthermore, this set of highly specific markers enabled the first comparative analyses of chaetae-producing cells of the annelid Capitella teleta, the myzostomid Myzostoma cirriferum and the brachiopod Macandrevia cranium. For some of the P. dumerilii markers, orthologous sequences were found in the other study organisms where their expression is localized in homologous cell types, thus providing the first molecular evidence for homology of chaetae of Annelida, Myzostomida and Brachiopoda. Computational analyses of the marker sequences reveal a variety of amino acid motifs and domains that might indicate potential functions. Among these, the chitin synthases linked to a myosin motor domain (MMD) appear to be of special interest, as this study shows that the sampled lophotrochozoans possess an unexpected diversity of these enzymes, of which representatives of two chitin synthase groups appear to have a chaetoblastspecific expression in the studied organisms. As evolutionary analyses of chitin synthases indicate that the last common ancestor of Annelida, Myzostomida, Brachiopoda and Mollusca featured three MMD-linked chitin synthases, it is hypothesized that the ancestral function of these enzymes is the formation of homologous chaetae and other chitinous structures, potentially even shells. As the phylogenetic relationships among Lophotrochozoa are far from being solved, the investigation of all remaining lophotrochozoan taxa, using the combined methodological procedures established in this study, is necessary to infer the exact evolutionary origin of the homologous chaetae of Annelida, Myzostomida and Brachiopoda.

Annelida sind eine gut bekannte Gruppe von segmentierten, wurmförmigen Organismen, deren charakteristischste Merkmale ausgeprägte und oft bizarr gestaltete Borsten (Chaetae) sind. Diese Strukturen wurden seit langem als Autapomorphie der Anneliden-Stammart diskutiert, da ähnliche Strukturen anderer Taxa, z.B. Myzostomida und Brachiopoda, als Resultat eines unabhängigen evolutiven Ursprungs interpretiert wurden. Der Prozess der Borstenbildung (Chaetogenese) wurde seit langem auf ultrastruktureller Ebene untersucht, aber viele Aspekte blieben unklar, da Daten anderer Vergleichsebenen fehlen. Das Ziel dieser Studie ist es daher, Borsten- spezifische Zellen auf einer neuen Ebene zu untersuchen, und zwar durch eine kombinierte Strategie aus strukturellen und molekularen Methoden. Im Zuge des Transkriptom- und Genom-Projektes von Platynereis dumerilii wurde eine Reihe an Marker-Kandidaten durch zufällige in-situ-Hybridisierung identifiziert, die die erstmalige Möglichkeit bieten, neue Erkenntnisse über die Chaetogenese zu gewinnen. Die zelluläre Lokalisierung dieser Marker erfolgte durch ultrastrukturelle, immunhistochemische, sowie verschiedenste Verfahren der in- situ-Hybridisierung und lieferte fünfzehn molekulare Marker, die zwei verschiedene in der Chaetogenese involvierte Zelltypen spezifisch charakterisieren, nämlich den Chaetoblasten und die proximalen Follikelzellen. Außerdem ermöglicht dieses Set von hochspezifischen Markern die ersten vergleichenden Analysen von Borsten-bildenden Zellen des Anneliden Capitella teleta, des Myzostomiden Myzostoma cirriferum und des Brachiopoden Macandrevia cranium. Im Fall mehrerer Marker aus P. dumerilii wurden orthologe Sequenzen in den anderen untersuchten Organismen gefunden, wo deren Expression in homologen Zelltypen lokalisiert ist und somit die ersten molekularen Indizien für die Homologie der Borsten der Annelida, Myzostomida und Brachiopoda liefert. Computer-gestützte Analysen der Markersequenzen zeigen eine Reihe an Aminosäure-Motiven und -Domänen, die auf potentielle Funktionen hindeuten könnten. Unter diesen erscheinen vor allem die mit einer Myosin-Motordomäne (MMD) verbundenen Chitinsynthasen von besonderem Interesse, da diese Studie eine unerwartete Diversität dieser Enzyme in den verfügbaren Lophotrochozoen nachweist, wobei die Vertreter von zwei Chitinsynthase-Gruppen anscheinend eine Chaetoblasten-spezifische Expression in den untersuchten Organismen besitzen. Da die evolutiven Analysen der Chitinsynthasen nahelegen, dass der letzte gemeinsame Vorfahr von Annelida, Myzostomida, Brachiopoda und Mollusca drei MMD-gekoppelte Chitinsynthasen besaß, wird hypothetisiert, dass die ursprüngliche Funktion dieser Enzyme die Bildung homologer Borsten und anderer chitinöser Strukturen ist, möglicherweise sogar die Bildung von Schalen. Da die phylogenetischen Beziehungen innerhalb der Lophotrochozoa noch nicht einmal annähernd geklärt sind, ist die Untersuchung aller verbleibenden Subtaxa der Lophotrochozoa unter Verwendung der in dieser Studie etablierten kombinierten Methodik nötig, um den genauen evolutiven Ursprung der homologen Borsten von Annelida, Myzostomida und Brachiopoda abzuleiten.