The placement of Metazoan species into correct clades has become of prime concern to the study of evolutionary development, since the most recent phylogeny of Metazoans indicates embryological divergence. Genetic regulatory networks have been extensively described for some species but not for others. This study examines possible divergence of bilaterians at the protostome-deuterostome divide by examining dorsoventral patterning genes. A specific maternally active gene, dorsal/rela, the final element in the maternal pathway, was found to be a driving force behind this divergence and was co-opted from genes already existing in the Metazoan ancestor.

xiii, 135 p. ; ill. (some col.) A print copy of this title is available through the UO Libraries. Search the library catalog for the location and call number. / This thesis explores the origin and evolution of animal germ layers via evolutionary-developmental analyses of the GATA family of transcription factors. GATA factors identified via a conserved dual zinc-finger domain direct early germ layer specification across a wide variety of animals. However, most of these developmental roles are characterized in invertebrate models, whose rapidly evolved sequences make it difficult to reconstruct evolutionary relationships. This study reconstructs the stepwise evolution of metazoan GATA transcription factors, defining homologous developmental roles based upon clear orthology assignments. We identified two GATA transcription factors ( PdGATA123 and PdGATA456 ) from the marine annelid Platynereis dumerilii to aid comparison of protostome and deuterostome GATA factors. Our phylogenetic analyses defined these as protostome orthologs of GATA1/2/3 and GATA4/5/6 vertebrate subfamilies, while the mRNA localization of the Platynereis GATAs showed ectodermal versus endomesodermal germ layer restrictions, similar to their vertebrate orthologs. To define the phylogenetic relationships of more divergent genes in the invertebrate models, we identified GATA homologs from recently sequenced protostome genomes. Molecular phylogenetic analyses, comparisons of intron/exon structure, and conserved synteny confirm all protostome GATA transcription factor genes are members of either the GATA123 or GATA456 class. These data allowed us to identify multiple protostome-specific duplications of GATA456 homologs and reconstruct the origin and relationships of all arthropod GATA genes. To probe GATA transcription factor evolution in deuterostomes, including vertebrates, we identified GATA factors in basal deuterostomes, including the cephalochordate Branchiostoma floridae and the hemichordate Saccoglossus kowalevskii. Phylogenetic analyses of these data independently confirmed that the ancestral deuterostome and chordate--like the bilaterian ancestor--possessed only two GATA transcription factors. This work was facilitated by a bioinformatics platform we are developing to identify gene families from preassembled genomic sequence. We generated anti- PdGATA antibodies to further explore the role of Platynereis GATAs in germ layer formation. We identified multiple presumptive endomesodermal cells in which nuclear localization of PdGATA456 protein first occurs and utilized PdGATA456 protein localization to follow endomesodermal cell populations throughout development. These analyses represent some of the first cellular and molecular analyses of Platynereis germ layer formation. This dissertation includes both my previously published and unpublished co-authored material. / Adviser: Stephan Q. Schneider

L'induction expérimentale de jumeaux (oursin) ou de siamois (poisson zébré) sollicite la plasticité et la robustesse de l'embryon en développement. Nous avons montré que les individus jumeaux et les paires de siamois suivent des voies de développement différentes de celles du type normal. Nous émettons l’hypothèse que ces différents chemins révèlent la plasticité développementale de l’organisme. Chez les deux espèces, la formation de jumeaux ou siamois est interprétée comme reposant sur i) la labilité des gradients de morphogènes déterminant les axes embryonnaires, ii) le répertoire des comportements cellulaires au cours de la blastulation et de la gastrulation en réponse aux gradients de morphogènes et aux signaux biomécaniques et/ou iii) les processus de régulation de la taille des champs morphogénétiques. Nous avons montré que le développement des jumeaux d'oursins explore un domaine de possibilités différent de celui des embryons typiques. Les jumeaux se développent d'abord sous forme d'une couche cellulaire unique et plate avant de se compacter en véritable blastula. Les jumeaux en développement appartiennent à 3 catégories phénotypiques en fonction du nombre de précurseurs de feuillets embryonnaires (nombre correct ou non) et de leurs contacts (contacts corrects ou non). Cependant, les 3 classes conduisent à un pourcentage similaire de larves de pluteus normales. Nous démontrons qu’une réorganisation cellulaire qui rétablirait des contacts normaux entre les différents types cellulaires n'est pas nécessaire, ce qui implique que le développement passe par des changements de destinées cellulaires. En outre, les larves de jumeaux ont un nombre normal de cellules mésenchymateuses primaires, sans division cellulaire supplémentaire. Cette situation est réminiscente de l'ablation des micromères dont la perte est compensée par un changement de destinée cellulaires des cellules mésenchymateuses secondaires. Les poissons zébrés siamois peuvent être obtenus par la surexpression de la voie nodale, la transplantation de l'organisateur de Spemann au début de la gastrulation, ou chez le mutant homozygote maternel Janus. Notre travail s'est concentré sur le premier cas. L’interaction des voies de signalisation dans la détermination des axes embryonnaires et dans l’instauration d’un centre d’organisation de type Spemann a fait l’objet de nombreuses études chez le poisson zébré. Cependant, l’état de l’art n’explique pas le lien entre les signaux biochimiques et les comportements cellulaires individuels, ni l’émergence de champs morphogénétiques et la régulation de leur taille. Lorsque organisateur endogène et organisateur induit ne sont pas en positions parfaitement opposées, l’étendue de la régulation de la taille des champs morphogénétique dépend de la position de l'organisateur induit. Le lignage cellulaire de poissons zébrés siamois reconstruit à partir de d’imagerie 3D + temps in toto révèle les comportements cellulaires sous-jacents à la fusion de champs morphogénétiques identiques. / The experimental induction of twins (sea urchin) or Siamese (zebrafish) challenges the plasticity and robustness of the developing embryo. We showed that individuals in twin and Siamese pairs follow different developmental paths that are in fact quite different than wild-type. We hypothesize that these different paths reveal the organism’s developmental plasticity. In both species, twinning is interpreted to rely on i) the lability of morphogen gradients setting the embryonic axes, ii) the repertoire of cell behaviors during blastulation and gastrulation in response to morphogen gradients and biomechanical cues and/or iii) the regulation of morphogenetic field size. We showed that the development of sea urchin twins explores a realm of possibilities different from that of typical embryos. The twins develop first as a single and flat cell layer before compacting into a bona fide blastula. Developing twins belong to 3 phenotypic categories depending on the number of germ layer precursors (correct number or not) and their contacts (correct contacts or not). However, the 3 classes lead to similar percentage of normal pluteus larvae. We demonstrate that cellular reorganization is not required to restore the normal contacts between the different cell types implying that development proceeds through fate changes. In addition, larvae from twins have a normal number of primary mesenchymal cells and this does not involve further cell division. This situation is reminiscent of the ablation of micromeres with transfating compensating for the loss, leading to a proper number of PMCs and is thus likely to involve the transfating of SMCs.Siamese zebrafish are observed through Nodal pathway overexpression, transplantation of the Spemann organizer at the onset of gastrulation, or in the maternal homozygous mutant Janus. Our work focused on the first case. The interplay of signaling pathways in setting embryonic axes and inducing a Spemann-type organizing center has been extensively studied in zebrafish. However, the current state of art does not explain the link between biochemical cues and individual cell behaviors, and from them the emergence of morphogenetic fields and the regulation of their size. If not in opposite positions, the extent of field size regulation is dependent on the position of the induced or transplanted organizer. The cell lineage of siamese zebrafish reconstructed from 3D+time live imaging reveals cell behaviors underlying the fusion of identical fields.

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. / The phylum Hemichordata comprises the classes Enteropneusta and Pterobranchia. Together with echinoderms, hemichordates are the sister-group to chordates. Enteropneusts are worm-shaped solitary deposit feeders. Pterobranchs are colonial filter feeders that live in a secreted collagenous domicile called a coenecium. In this thesis, three studies are presented. These studies are based on observations of extant hemichordates, and adress a variety of issues relating to the evolution of hemichordates, chordates, and the super-phylum to which they belong: Deuterostomia. Our first study demonstrates that the gill slits, pre-oral ciliary organ (POCO), and lining of the pharynx of the enteropneust Protoglossus graveolens are used in filter feeding. The filter-feeding system of P. graveolens enables particle capture down to 1.3 um, at a rate up to 4.05 mm.s-1, with a power consumption of 0.009 uW. Structural and functional similarities with the cephalochordate filter-feeding system suggest that pharyngeal filter-feeding is ancestral to the deuterostomes. In our second study, we address the hypothesis that the enteropneust POCO, a putative chemosensory structure located anterior to the mouth, is homologous to the cephalochordate wheel organ and vertebrate adenohypophysis. We characterized the expression pattern of the adenohypophysis-specific transcription factor Pit-1 in the adult enteropneust Saccoglossus pusillus with immunohistochemistry. Pit-1 is expressed in sensory cells of the POCO and in scattered epithelial cells of the proboscis, collar and trunk. This expression pattern does not allow to confirm or reject the homology of the POCO with the vertebrate adenohypophysis. In our third study, we characterized the ultrastructure of the coenecium of the pterobranchs Cephalodiscus hodgsoni, Cephalodiscus nigrescens and Cephalodiscus densus using transmission and scanning electron microscopy. Cephalodiscus is the sister-group to the Graptolithina, which includes the extinct graptolites and the extant pterobranch genus Rhabdopleura. We described the fibril types, size and organization, as well as the general organization of the coenecium. We demonstrated that the coenecium of Cephalodiscus shows similarities with the graptolite eucortex, paracortex and pseudocortex. The cortical-like organization of the coenecium of Cephalodiscus suggests that the cortex is ancestral to the Pterobranchia. Together, these three studies illustrate different axes of hemichordate research, and show how integrating morphological, functional and molecular data allows us toinfer key events in the evolution of deuterostomes.

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. / The phylum Hemichordata comprises the classes Enteropneusta and Pterobranchia. Together with echinoderms, hemichordates are the sister-group to chordates. Enteropneusts are worm-shaped solitary deposit feeders. Pterobranchs are colonial filter feeders that live in a secreted collagenous domicile called a coenecium. In this thesis, three studies are presented. These studies are based on observations of extant hemichordates, and adress a variety of issues relating to the evolution of hemichordates, chordates, and the super-phylum to which they belong: Deuterostomia. Our first study demonstrates that the gill slits, pre-oral ciliary organ (POCO), and lining of the pharynx of the enteropneust Protoglossus graveolens are used in filter feeding. The filter-feeding system of P. graveolens enables particle capture down to 1.3 um, at a rate up to 4.05 mm.s-1, with a power consumption of 0.009 uW. Structural and functional similarities with the cephalochordate filter-feeding system suggest that pharyngeal filter-feeding is ancestral to the deuterostomes. In our second study, we address the hypothesis that the enteropneust POCO, a putative chemosensory structure located anterior to the mouth, is homologous to the cephalochordate wheel organ and vertebrate adenohypophysis. We characterized the expression pattern of the adenohypophysis-specific transcription factor Pit-1 in the adult enteropneust Saccoglossus pusillus with immunohistochemistry. Pit-1 is expressed in sensory cells of the POCO and in scattered epithelial cells of the proboscis, collar and trunk. This expression pattern does not allow to confirm or reject the homology of the POCO with the vertebrate adenohypophysis. In our third study, we characterized the ultrastructure of the coenecium of the pterobranchs Cephalodiscus hodgsoni, Cephalodiscus nigrescens and Cephalodiscus densus using transmission and scanning electron microscopy. Cephalodiscus is the sister-group to the Graptolithina, which includes the extinct graptolites and the extant pterobranch genus Rhabdopleura. We described the fibril types, size and organization, as well as the general organization of the coenecium. We demonstrated that the coenecium of Cephalodiscus shows similarities with the graptolite eucortex, paracortex and pseudocortex. The cortical-like organization of the coenecium of Cephalodiscus suggests that the cortex is ancestral to the Pterobranchia. Together, these three studies illustrate different axes of hemichordate research, and show how integrating morphological, functional and molecular data allows us toinfer key events in the evolution of deuterostomes.