Mesenterial adult stem-like cells as a potential source of germinal and somatic lineages in a sea anemone

Abstract

Adulte stamceller (ASC) opprettholder vekst og homeostase gjennom hele livet til dyr ved kontinuerlig å tilføre nye celler til organismen. ASC-er har blitt godt karakterisert i vertebrat-, nematode- og insektmodeller, som presenterer vevsspesifikke stamcellepopulasjoner med avstamningsbegrenset potensial (f.eks. intestinale, hematopoetiske, nevronale, epiteliale, germinale stamceller). I disse organismene er separasjonen av kimstamceller fra somatiske linjer et nøkkeltrinn under embryonal utvikling, som lenge har vært antatt å være vanlig blant metazoer. Imidlertid har studier på noen få andre bilateriske og ikke-bilateriske modellorganismer avslørt tilstedeværelsen av ASC-er som bærer både germinalt og somatisk potensial gjennom hele organismens levetid (f.eks. neoblaster i planarier, interstitielle stamceller i hydrozoiske cnidarier) Mangelen på data om ASC-er fra de fleste dyrefyla hemmer imidlertid vår forståelse av utviklingen av dyrestamceller og kimlinjesegregering. Innenfor cnidarier har ASC så langt bare blitt karakterisert i hydroziske cnidarier, som presenterer pluri- eller multipotente interstitielle stamceller (dvs. i-celler) som gir opphav til nevroner, kjertelceller, cnidocytter og gameter. Et langvarig spørsmål er om i-celler er en hydrozoa-spesifikk egenskap eller fra forfedre til cnidaria. I oppgaven min har jeg som mål å bidra til vår forståelse av utviklingen av cnidaria og dyrestamceller ved å identifisere og karakterisere ASCs i en antozoisk cnidarie, sjøanemonen Nematostella vectensis. For å finne ASC-er i Nematostella, undersøkte jeg det romlige uttrykket av konserverte markørgener for kimlinje- og multipotens ortologer (f.eks. piwi, vasa) i juvenile og voksne polypper, og utførte avstamningssporing og enkeltcellet RNA-sekvensering (scRNA-seq) for å avdekke deres molekylære profiler og potensialer. Ved å kombinere og analysere Vasa2 immunfarging med vasa2 og piwi1 transgene reporterlinjer i unge og voksne, karakteriserte jeg en populasjon av mesenteriale, ekstragonadale Vasa2+/Piwi1+ stam-lignende celler og deres gonadale Vasa2+/Piwi1+ germinal avkom. Påfallende nok fant jeg også at Vasa2+/Piwi1+ stam-lignende celler gir opphav til rikelig med gastrodermale celler av somatiske avstamning, delvis bestående av soxB(2)-uttrykke neuronale stamceller. Ved å bruke scRNA-seq på vevsanrikede prøver, var jeg i stand til å identifisere celleklynger med delvis overlappende ekspresjonsprofiler tilsvarende (1) mesenterial Vasa2+/Piwi1+ stam-lignende cellepopulasjon, (2) meiotisk oogonia, (3) celler i M -fase, (4) soxB(2)+ nevrale forløpere og (5) cnido-glandulære traktat-forløpere. Til sammen antyder resultatene mine at den mesenteriale Vasa2+/Piwi1+ stam-lignende celle-populasjonen består av multipotente ASC-er med både germinalt og somatisk (inkl. neuronalt) potensial. Siden slike celler sannsynligvis bidrar til vekst, vevs-homeostase og reproduksjon under unge og voksenstadier i Nematostella-polypper, åpner oppgaven min for en bedre karakterisering av de cellulære prosessene som ligger til grunn for helkropps-regenerering, aseksuell reproduksjon og plastisitet i kroppsstørrelse hos cnidarier. Det delte potensialet, uttrykket av genetiske markørene og cellulære funksjonene med hydrozoa i-celler, fører oss til å foreslå at Vasa2+/Piwi1+ ASC-er med blandet germinalt og somatisk potensiale er en egenskap fra forfedre for cnidarier.

Adult stem cells (ASCs) sustain growth and homeostasis throughout the lifetime of animals by continuously supplying new cells to the organism. ASCs have been well characterized in vertebrate, nematode and insect models, which present tissue-specific stem cell populations with lineage-restricted potentials (e.g. intestinal, hematopoietic, neuronal, epithelial, germinal stem cells). In these organisms, the separation of germline stem cells from somatic lineages is a key step during embryonic development, which has long been thought to be common among metazoans. However, studies on a few other bilaterian and non-bilaterian model organisms have revealed the presence of ASCs bearing both germinal and somatic potentials throughout the lifetime of the organism (e.g. neoblasts in planarians, interstitial stem cells in hydrozoan cnidarians). The lack of data on ASCs from most animal phyla however hampers our understanding of the evolution of animal stem cells and germline segregation. Within cnidarians, ASCs have so far only been characterized in hydrozoan cnidarians, which present pluri- or multipotent interstitial stem cells (i.e. i-cells) that give rise to neurons, gland cells, cnidocytes and gametes. A longstanding question is whether i-cells are a hydrozoan-specific trait or ancestral to cnidarians. In my thesis, I aim to contribute to our understanding of cnidarian and animal stem cell evolution by identifying and characterizing ASCs in an anthozoan cnidarian, the sea anemone Nematostella vectensis. To find ASCs in Nematostella, I investigated the spatial expression of conserved germline and multipotency marker gene orthologs (e.g. piwi, vasa) in juvenile and adult polyps, and performed lineage tracing and single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to unveil their molecular profiles and potentials. By combining and analysing Vasa2 immunostaining with vasa2 and piwi1 transgenic reporter lines in juveniles and adults, I characterized a population of mesenterial, extra-gonadal Vasa2+/Piwi1+ stem-like cells and their gonadal Vasa2+/Piwi1+ germinal progeny. Strikingly, I found that Vasa2+/Piwi1+ stem-like cells also give rise to abundant, gastrodermal somatic progeny cells, partially consisting of soxB(2)-expressing neuronal progenitor cells. Using scRNA-seq on tissue-enriched samples, I was able to identify cell clusters with partially overlapping expression profiles corresponding to (1) the mesenterial Vasa2+/Piwi1+ stem-like cell population, (2) meiotic oogonia, (3) cells in M-phase, (4) soxB(2)+ neural progenitors and (5) cnidoglandular tract progenitor cells. Altogether, my results suggest that the mesenterial Vasa2+/Piwi1+ stem-like cell population consists of multipotent ASCs with both germinal and somatic (incl. neuronal) potential. As such cells likely contribute to growth, tissue homeostasis and reproduction during juvenile and adult stages in Nematostella polyps, my thesis opens the door to a better characterisation of the cellular processes underlying whole-body regeneration, asexual reproduction, and body size plasticity in cnidarians. The shared potential, expression of genetic markers and cellular features with hydrozoan i-cells lead us to propose that Vasa2+/Piwi1+ ASCs with mixed germinal and somatic potential are an ancestral trait of cnidarians.