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
Résumé
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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