Comparison of cell types across life cycle stages of the hydrozoan Clytia hemisphaerica - Sorbonne Université Access content directly
Theses Year : 2022

Comparison of cell types across life cycle stages of the hydrozoan Clytia hemisphaerica

Comparaison des types cellulaires entre les stades de vie de l'hydrozoaire Clytia hemisphaerica

Abstract

The hydrozoan Clytia hemisphaerica displays a typical tri-phasic hydrozoan life cycle including a vegetatively propagating polyp colony and free-swimming medusa form as the sexually reproductive life stage. Male and female jellyfish spawn daily and after fertilisation a ciliated planula larva forms in about one day. After three days the planula settles and metamorphoses to give rise to a primary feeding polyp, the gastrozooid, founder of the polyp colony. The colony propagates by stolon extension and a second type of polyp, the gonozooid, releases medusa by budding. Previous analysis of the genome and the bulk transcriptome across the three life stages revealed specific gene expression programs for each stage (Leclère et al. 2019, Nature Ecology & Evolution). In this work I have extended this comparison to the level of individual cell types via single-cell RNA transcriptomics of Clytia medusa and larva. Together with colleagues from LBDV and members of the Pachter’ and Anderson’s lab at Caltech, we generated the first female medusa cell type atlas (Chari et al. 2021, Science Advances). I extended this atlas by generating and integrating further sc-RNAseq data. Analysis of the medusa cell type atlas revealed eight broad cell type classes including epidermis and gastrodermis, bioluminescent cells, oocytes and the hydrozoan multipotent stem cells (i-cells) and their derivatives such as neurons, nematocytes and gland cells. In situ hybridisation analysis of expression patterns revealed previously uncharacterized subtypes including 14 neuronal subpopulations. Trajectory analysis of the nematocyte lineage revealed two distinct transcriptional programs within this cell class, a “nematoblast” phase, characterised by the production of the typical nematocyte capsule, and the nematocyte differentiation phase, characterised by the production of the nematocil apparatus. Sc-RNAseq for the Clytia planula required refinement of cell dissociation, fixation and sorting protocols (collaboration with Arnau Sebé-Pedros’ group, CRG, Barcelona). The planula cell atlas consists of 4370 cells grouped in 19 cell clusters. Following in situ hybridisation expression patterns analysis of known and novel genes at three planula developmental stages I could assign cell identities and combine the 19 clusters in 8 broad cell classes. These correspond to the two cnidarian epithelial tissue layers, the epidermis and the gastrodermis, the i-cells, the nematocytes, neural cells, aboral neurosecretory cells and distinct populations of secretory cells, mucous cells and putative excretory cells (PEC). This Clytia planula cell atlas is the first cell atlas of an hydrozoan larva and provides characterization of previously undescribed cell populations as well as further information on already known cell types. Finally, I exploited our cell type atlases of the planula and medusa to explore shared transcriptional signatures at the cell type level. The medusa is the most complex form of cnidarians. The aim of this comparative analysis is to clarify whether the increase in molecular repertoire reflects an expansion of cell types in the adult. I compared the molecular signatures of jellyfish cell types with those of the planula and asked which were shared or unique. This comparative study is still in its early stages, however it has allowed some preliminary biological interpretations. The transcriptomes of certain cell classes such as gastrodermis, i-cells, neural cells and nematocytes showed clear similarity. In contrast, some other classes showed a lower probability of being shared between stages, such as the epidermis, mucous cells and PECs of the planula and the epidermis and digestive glandular cells of the jellyfish. This comparative approach provides promising results, allowing a first understanding of the similarities between the steps at a broader level of cell classes. However, the methods require further optimisation to allow comparison at the cell type level. Finer level of comparison was revealed so far only within the nematocyte class with stages of nematogenesis showing a high degree of similarity in gene usage between medusa and planula. Overall, these results allowed evolutionary scenarios on the origin and development of cell types in Clytia to be drawn.
L'hydrozoaire Clytia hemisphaerica présente un cycle de vie triphasique comprenant une colonie de polypes à propagation végétative et la méduse, qui est le stade se reproduisant de façon sexuée. Les méduses mâles et femelles libèrent leurs gamètes quotidiennement et environ un jour après la fécondation, une larve planula ciliée se forme. Après trois jours, la planula se fixe sur un substrat et se métamorphose pour donner naissance à un polype fondateur de la colonie, destiné à l’alimentation, le gastrozoïde. La colonie se propage par extension du stolon et un deuxième type de polype, le gonozoïde, libère des méduses par bourgeonnement. Les analyses précédentes du génome et des transcriptomes des trois principaux stades de vie de Clytia ont révélé des programmes d'expression génique spécifiques à chaque étape (Leclère et al. 2019, Nature Ecology & Evolution). J’ai étendu cette comparaison au niveau des types cellulaire en utilisant la technologie du sc-RNA-seq chez la méduse et la larve de Clytia. Avec des collègues du LBDV, en collaboration avec les laboratoires de L. Pachter et de D. Anderson à Caltech nous avons généré un premier “atlas” des types cellulaires de la méduse de Clytia (Chari et al. 2021, Science Advances). J’ai élargi cet atlas en intégrant des données supplémentaires. L'analyse de l'atlas a révélé huit grands types cellulaires, dont l'épiderme et le gastroderme, les cellules bioluminescentes, les ovocytes et les cellules souches multipotentes des hydrozoaires (i-cells) et leurs dérivés telles que les cellules neurales, les nématocytes et les cellules glandulaires. L'analyse par hybridation in situ des profils d'expression a révélé des sous-types non caractérisés auparavant, dont 14 sous-populations neuronales. L'analyse de la trajectoire de la lignée des nématocystes a révélé deux programmes transcriptionnels distincts, un programme "nématoblaste", caractérisé par la production de la nématocyste, et la phase de différenciation du nématocyte, caractérisée par la production du nématocil. Pour obtenir les données sc-RNAseq pour la planula j’ai optimisé les protocoles de dissociation, de fixation et de tri des cellules. J’ai obtenu un jeu de données pour la planula de 4370 cellules, regroupées en 19 clusters cellulaires. Après l’analyse des profils d'expression par hybridation in situ de gènes à trois stades de développement de la planula, j’ai pu attribuer des identités cellulaires et regrouper les 19 clusters en 8 grandes classes cellulaires. Celles-ci correspondent à l'épiderme, le gastroderme, les i-cells, les nématocytes, les cellules neurales, les cellules neurosécrétrices aborales et les cellules muqueuses et les cellules excrétrices putatives (PEC). Cet inventaire des types cellulaires de la planula de Clytia représente le premier atlas cellulaire d'une larve d'hydrozoaire et fournit la caractérisation de populations cellulaires non décrites auparavant ainsi que des informations supplémentaires sur les types cellulaires déjà connus. Enfin, j’ai exploité les données sc-RNAseq de la planula et de la méduse pour explorer les signatures transcriptionnelles partagées par type cellulaire. La méduse est la forme la plus complexe des cnidaires. Mon but était de tester si l'augmentation du répertoire moléculaire reflète une expansion des types de cellules chez l'adulte. J'ai comparé les signatures moléculaires des types de cellules de méduse avec celles de planula et cherché lesquelles étaient partagées ou uniques. Cette étude comparative est préliminaire, mais elle permet de tirer quelques interprétations biologiques. Les transcriptomes de certaines classes de cellules telles que le gastroderme, les i-cells, les cellules neurales et les nématocytes se sont révélés clairement similaires entre méduse et planula. En revanche, d’autres classes ont montré une probabilité plus faible d'être partagées entre les stades, comme l'épiderme, les cellules muqueuses et les cellules excrétrices putatives (PEC) de la planula et l'épiderme et les cellules glandulaires digestives de la méduse. Cette approche comparative fournit des résultats prometteurs, permettant une première compréhension des similitudes entre les étapes à un niveau plus large de classes de cellules. Cependant, les méthodes nécessitent de l’optimisation pour permettre une comparaison beaucoup plus fine au niveau du type de cellule. La classe des nématocytes est le seul exemple où il a été possible d'établir une similarité entre les types cellulaires. Dans l'ensemble, les résultats de cette exploration initiale des programmes de régulation, ainsi que les informations que j’ai pu recueillir à partir des analyses comparatives, ont permis de dessiner des scénarios évolutifs sur l'origine et le développement des types de cellules chez Clytia.
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Cite

Anna Ferraioli. Comparison of cell types across life cycle stages of the hydrozoan Clytia hemisphaerica. Life Sciences [q-bio]. Sorbonne université, 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04043026⟩
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