Evolution of the secondary sensory cells in tunicates and their development in Ciona intestinalis

This thesis attempts to clarify the evolution of secondary sensory cells in Tunicata (Chordata), the Vertebrata sister group, to study these cells in species belonging to different classes using a morphological approach, and to gain insights into their development using a molecular approach based on important developmental genes. In chapter 1, we analysed the mouth of three species of Thaliacea, representative of the three orders, to verify the presence of secondary mechanoreceptors comparable with the ones in the coronal organ described in the Ascidiacea class. We showed that oral secondary sensory cells are present with the exception of one species. We hypothesised that the presence of these cells in the oral region is related to the animal feeding mechanism. In chapter 2, we extended the morphological study to the class Appendicularia. These species are known to possess an oral sensory organ, the circumoral ring, composed of secondary sensory cells. We described these cells in detail, thus completing the data collection of the main tunicate groups. Moreover, based on these results and data from the literature, we performed a cladistics analysis using the cephalochordate amphioxus and vertebrates as outgroups. Our research showed that all tunicate secondary sensory cells may have evolved from a monociliated prototype, which successively differentiated into the present variety of secondary sensory cells. Chapter 3 describes the development of the oral secondary sensory structures in the model Ciona intestinalis (Ascidiacea). In this animal, we found that secondary sensory cells after the metamorphosis could be identified as cells with short cilia and microvilli, which later become pluriciliated. Moreover, we have provided evidence that secondary sensory cells can proliferate during development. Finally, chapter 4 shows that some genes involved in neural and sensory cell differentiation in vertebrates (Notch, Delta, Hairy/Hes, Atoh, Musashi) and other molecules implicated in neurotransmission (TRP channels and glutamate) are expressed in the secondary sensory cells of C. intestinalis. Taken together, the results presented in this thesis confirm that secondary sensory cells are a common feature of tunicates and have an important role as mechanoreceptors, likely playing a role in the feeding process. Moreover, our data suggest that important genes involved in the differentiation and function of these cells might have been present in the common ancestor of tunicates and vertebrates. Thus, these cells represent a plesiomorphic feature in these two groups.

Il lavoro presentato in questa tesi è volto a chiarire l’evoluzione delle cellule sensoriali secondarie nel subphylum Tunicata (Chordata), ritenuto attualmente il sister group dei Vertebrata. Sono stati utilizzati due approcci, uno morfologico che prende in considerazione numerose specie appartenenti a classi diverse, e un approccio molecolare che intende chiarire quali geni siano coinvolti nel differenziamento di questo tipo cellulare. Nel capitolo 1 viene descritta l’analisi delle strutture sensoriali orali di tre specie rappresentative dei tre ordini costituenti i Thaliacea. In solo due delle specie analizzate è stato riconosciuto un organo, paragonabile all’ organo coronale descritto per la classe degli Ascidiacea, costituito da cellule sensoriali secondarie; l’assenza dello stesso nella terza specie è stata da noi interpretata come un adattamento alla diversa modalità di nutrizione che caratterizza questi animali. Nel capitolo 2 viene estesa l’analisi morfologica a due specie appartenenti alla classe Larvacea, nelle quali è stata osservata una struttura sensoriale orale, chiamata anello circumorale, simile all’organo coronale di Thaliacea e Ascidiacea. I nuovi dati, a completamento di quelli già presenti in letteratura, sono stati utilizzati per effettuare un’analisi cladistica delle cellule sensoriali secondarie dei Tunicata, utilizzando specie appartenenti ai Cephalochordata e Vertebrata come outgroups. I risultati mostrano che il prototipo cellulare ancestrale era rappresentato da una cellula dotata di un apparato apicale con un solo ciglio, circondato da corti microvilli, dal quale poi si sarebbero differenziati gli altri tipi cellulari osservati. Il capitolo 3 presenta la descrizione dello sviluppo dell’organo coronale nell’ascidia solitaria Ciona intestinalis, dove le cellule sensoriali dell’organo coronale sono state osservate fin dalla metamorfosi, con un apparato apicale dotato di corte ciglia e microvilli, queste successivamente acquisiscono l’aspetto pluricigliato tipico dell’adulto. È’ stata inoltre analizzata la proliferazione delle cellule dell’organo coronale durante lo sviluppo. Infine, nel capitolo 4 sono stati considerati alcuni importanti geni coinvolti nel differenziamento cellulare in senso neurale e sensoriale (Notch, Delta, Hairy/Hes, Atoh, Musashi) e altre molecole coinvolte nella neurotrasmissione (canali TRP e il neurotrasmettitore glutamate), dimostrandone la loro espressione nell’organo coronale di Ciona intestinalis. Considerati nel loro insieme questi risultati confermano che le cellule sensoriali secondarie osservate nei tunicati rappresentano un carattere comune di questo subphylum, probabilmente con un ruolo principale nel meccanismo di alimentazione. Inoltre il fatto che condividano con le cellule sensoriali secondari dei vertebrati l’espressione di alcuni importanti geni coinvolti nello sviluppo e nel funzionamento, ci porta a pensare che questa tipologia di cellule sensoriali rappresentino un carattere plesiomorfico di questi due gruppi.