title: Investigating the evolutionary origin of animal cell differentiation by establishing sn-multiomics in unicellular holozoans
Creators: name: Grausgruber, Antonia
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Zwei wesentliche Merkmale, die Metazoa charakterisieren, sind Vielzelligkeit und die Fähigkeit, durch Geneexpressions-gesteuerte Zelldifferenzierung spezialisierte Zelltypen auszubilden. Um zu verstehen, wie diese fundamentalen Eigenschaften am evolutionären Ursprung der Tiere entstanden sind, ist es unerlässlich über die Grenzen des Phylums der Metazoa hinauszublicken und in die nächstverwandte Organismengruppen einzutauchen, die einzelligen Holozoa. Tatsächlich weisen einige dieser unizellulären Organismen einen komplexen Lebenszyklus auf, der eine Vielzahl an verschiedenen Zell-Morphologien und Funktionen umfasst. Das weist darauf hin, dass auch schon die einzelligen Schwesterngruppen der Tiere in bestimmter Form zur Zelldifferenzierung fähig sind. Auch entsprechende zugrundeliegende genregulatorische Module scheinen überraschend elaboriert zu sein und einige Gen-Orthologe sowie Genexpression-kontrollierende Mechanismen zu inkludieren, die zuvor als Metazoa-spezifisch betrachtet wurden. Diese Beobachtungen untermauern die Idee, dass tierische Zelldifferenzierung auf genregulatorischen Modulen beruht, die bereits in einzelligen Vorfahren vorhanden waren und im Kontext der Evolution der Tiere wiederverwendet, erweitert und verfeinert wurden. Unser langfristiges Ziel ist es dementsprechend, die genregulatorischen Veränderungen entlang der Transition zwischen verschiedenen Einzeller-Zellstadien mit jenen zu vergleichen, die entlang der Differenzierungsbahn in basal gestellten Tieren stattfinden. Ein Werkzeug, das erlaubt Änderungen im transkriptionellen und epigenetischen Zustand auf der Ebene von einzelnen Zellkernen aufzulösen, ist „single-nucleus Multiomics“. Dementsprechend ist eine wesentliche Aufgabe meiner Arbeit die Protokolloptimierung für Nuklei-Extraktion aus den zwei Einzeller-Arten Abeoforma whisleri und Capsaspora owczarzaki, um anschließend sn-Multiomics-Sequenzierung durchführen zu können. Für das aller erste Mal werden sn-Multiomics Daten für einzellige Holozoa-Vertreter generiert, die ein wesentliche Schritt darin sein können, sukzessive unser Bild zur Evolution der tierischen Zelldifferenzierung zu vervollständigen.
description: Two main features characterizing metazoans are multicellularity and the ability to form specified cell types by gene expression-driven cell differentiation. In order to understand how these crucial traits happened to emerge at the evolutionary origin of animals, it is inevitable to look beyond the borders of the metazoan phylum and dive into their closest relatives, the group of unicellular holozoans. In fact, many of those single-celled organisms show complex life cycles covering a multitude of cell morphologies and functions which indicates that already unicellular sisters of animals are capable of some kind of cell differentiation. Also, respective underlying gene regulatory modules appear to be surprisingly elaborated, involving a quantity of gene orthologs and gene expression controlling mechanisms that previously have been suspected to be metazoan-specific. These discoveries support the idea that animal cell differentiation is based on gene regulatory modules that have already been present in their unicellular ancestor and that got recycled, expanded and refined in the context of animal evolution. Thus, our long-term aim is to compare the gene regulatory changes taking place along the transition between unicellular cell states and those happening along cell differentiation trajectory in basally branching animals. One tool which is able to resolve changes in transcriptomic and epigenetic constitutions on the level of individual cell nuclei is single-nucleus Multiomics. The main goal of my study is to optimize nuclei extraction protocols for the two unicellular species Abeoforma whisleri and Capsaspora owczarzaki to be able to subsequently perform sn-Multiomics sequencing on those species. For the very first time, sn-Multiomics data is obtained on unicellular holozoans which may be a major step to successively complete our picture on the evolution of animal cell differentiation.