Patterning and cell differentiation in Hydra: novel genes and the limits to conservation

In the last few years more than 100 genes have been identified from Hydra, and well over 80 have been characterized. Since most genes are homologs of genes found in bilaterians, the genetic mechanisms for axial patterning and cell differentiation are evolutionarily conserved. This constitutes something of a paradox. If key developmental- control genes are the same in Hydra and all other organisms, how does one account for the marked differences in de- velopment and morphology of the different animal groups? How are taxon-specific features encoded? To examine whether in Hydra, in addition to conserved mechanisms, there are genetic features that control uniquely taxon-specific (Hydra/Hydrozoa/Cnidaria) aspects, we used an experimental strategy that does not require sequence data from related taxa. By means of this unbiased ("knowledge-independent") approach we have identified genes from Hydra encoding signal molecules and effector genes with no sequence similarity to genes in other organisms. When tested functionally, the novel genes were found to be essential for axial patterning and differentiation of Hydra-specific characteristics. Experimental analysis of the cis-regulatory apparatus of these novel genes reveals target sites for novel trans-acting factors. The use of unbiased screening approaches for several other organisms also reveals a large number of novel and taxon-specific genes of as yet unknown function. Thus, comparative data alone may not be sufficient for gaining a full understanding of the development of taxon-specific characteristics. Resume : Au cours des dernieres annees, plus de 100 genes ont ete identifies chez Hydra et plus de 80 ont ete caracterises. Comme la plupart de ces genes sont des homologues de genes trouves chez les organismes bilateraux, les mecanismes qui regissent l'organisation axiale et la differenciation des cellules sont preserves au cours de l'evolution, ce qui constitue en quelque sorte un paradoxe. Si les genes responsables du developpement sont les memes chez Hydra que chez tous les autres organismes, comment peut-on alors expliquer les differences evidentes dans le developpement et la morphologie chez les divers groupes d'animaux? Comment les caracteristiques specifiques aux taxons sont-elles codees? Pour examiner si, en plus des mecanismes conserves, il existe chez Hydra des caracteres genetiques qui controlent des aspects tout a fait particuliers aux taxons ( Hydra/Hydrozoaires/Cnidaires), nous avons adopte une strategie experimentale qui ne requiert pas de donnees de sequencage des taxons apparentes. Cette approche neutre (independante de connaissances anterieures) nous a permis d'identifier chez Hydra des molecules codantes et des genes effecteurs dont les sequences n'ont aucune similarite avec celles des genes d'autres organismes. Au cours de tests fonctionnels, ces genes inedits se sont reveles essentiels a l'expression de l'organisation axiale et a la differentiation des caracteres specifiques d'Hydra. Les analyses experimentales du systeme cis-regulateur des genes nouveaux ont mis en lumiere l'existence de sites cibles pour des facteurs trans-actifs inedits. Ces methodes de tri neutres appliquees a plusieurs autres organismes ont aussi revele l'existence de genes inedits et specifiques aux taxons, dont le role reste a determiner. Consequemment, Il se peut que l'utilisation exclusive de donnees comparatives ne suffise pas a une bonne comprehension de l'evolution des caracteristiques specifiques aux taxons. (Traduit par la Redaction) Bosch and Khalturin 1677