For more than 100 years, the fruit fly

The global rise in obesity has revitalized a search for genetic and epigenetic factors underlying the disease. We present a Drosophila model of paternal-diet-induced intergenerational metabolic reprogramming (IGMR) and identify genes required for its encoding in offspring. Intriguingly, we find that as little as 2 days of dietary intervention in fathers elicits obesity in offspring. Paternal sugar acts as a physiological suppressor of variegation, desilencing chromatin-state-defined domains in both mature sperm and in offspring embryos. We identify requirements for H3K9/K27me3-dependent reprogramming of metabolic genes in two distinct germline and zygotic windows. Critically, we find evidence that a similar system may regulate obesity susceptibility and phenotype variation in mice and humans. The findings provide insight into the mechanisms underlying intergenerational metabolic reprogramming and carry profound implications for our understanding of phenotypic variation and evolution.

Animals often decide between alternative actions according to their current needs, and hence the value they assign to each of the competing options [1Kristan W.B. Neuronal decision-making circuits.Curr. Biol. 2008; 18: R928-R932Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (74) Google Scholar, 2Rangel A. Camerer C. Montague P.R. A framework for studying the neurobiology of value-based decision making.Nat. Rev. Neurosci. 2008; 9: 545-556Crossref PubMed Scopus (1188) Google Scholar, 3Gold J.I. Shadlen M.N. The neural basis of decision making.Annu. Rev. Neurosci. 2007; 30: 535-574Crossref PubMed Scopus (2015) Google Scholar, 4Sugrue L.P. Corrado G.S. Newsome W.T. Choosing the greater of two goods: Neural currencies for valuation and decision making.Nat. Rev. Neurosci. 2005; 6: 363-375Crossref PubMed Scopus (408) Google Scholar]. This process is of special relevance during nutrient balancing, in which animals choose between different food sources according to their current nutritional state [5Dethier V.G. The Hungry Fly: A Physiological Study of the Behavior Associated with Feeding. Harvard University Press, Cambridge, MA.1976Google Scholar, 6Lee K.P. Simpson S.J. Clissold F.J. Brooks R. Ballard J.W. Taylor P.W. Soran N. Raubenheimer D. Lifespan and reproduction in Drosophila: New insights from nutritional geometry.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008; 105: 2498-2503Crossref PubMed Scopus (633) Google Scholar, 7Raubenheimer D. Simpson S.J. Integrative models of nutrient balancing: Application to insects and vertebrates.Nutr. Res. Rev. 1997; 10: 151-179Crossref PubMed Scopus (311) Google Scholar]. How such value-based decision making is implemented at the molecular and neuronal level in the brain is not well understood. Here we describe Drosophila melanogaster food choice as a genetically tractable model to study value-based decision making in the context of nutrient balancing. When faced with a choice between yeast and an alternative food source, flies deprived of protein prefer the yeast. We show here that mating status is a critical modulator of this decision-making process in females and that it relies on the action of the sex peptide receptor in internal ppk+ sensory neurons. Neuronal TOR/S6K function is another critical input to this decision, possibly signaling the fly's current nutritional status. We propose that the brain uses these internal states to assign value to external sensory information from potential food sources, thereby guiding food choice and ensuring nutrient homeostasis.

A chemically defined diet for Drosophila melanogaster is described. It should enable a variety of behavioral, metabolic and fitness studies where controlled nutrition is important. A critical requirement for research using model organisms is a well-defined and consistent diet. There is currently no complete chemically defined (holidic) diet available for Drosophila melanogaster. We describe a holidic medium that is equal in performance to an oligidic diet optimized for adult fecundity and lifespan. This holidic diet supports development over multiple generations but at a reduced rate. Over 7 years of experiments, the holidic diet yielded more consistent experimental outcomes than did oligidic food for egg laying by females. Nutrients and drugs were more available to flies in holidic medium and, similar to dietary restriction on oligidic food, amino acid dilution increased fly lifespan. We used this holidic medium to investigate amino acid–specific effects on food-choice behavior and report that folic acid from the microbiota is sufficient for Drosophila development.

Choosing the right nutrients to consume is essential to health and wellbeing across species. However, the factors that influence these decisions are poorly understood. This is particularly true for dietary proteins, which are important determinants of lifespan and reproduction. We show that in Drosophila melanogaster, essential amino acids (eAAs) and the concerted action of the commensal bacteria Acetobacter pomorum and Lactobacilli are critical modulators of food choice. Using a chemically defined diet, we show that the absence of any single eAA from the diet is sufficient to elicit specific appetites for amino acid (AA)-rich food. Furthermore, commensal bacteria buffer the animal from the lack of dietary eAAs: both increased yeast appetite and decreased reproduction induced by eAA deprivation are rescued by the presence of commensals. Surprisingly, these effects do not seem to be due to changes in AA titers, suggesting that gut bacteria act through a different mechanism to change behavior and reproduction. Thus, eAAs and commensal bacteria are potent modulators of feeding decisions and reproductive output. This demonstrates how the interaction of specific nutrients with the microbiome can shape behavioral decisions and life history traits.

Food ingestion is one of the defining behaviours of all animals, but its quantification and analysis remain challenging. This is especially the case for feeding behaviour in small, genetically tractable animals such as Drosophila melanogaster. Here, we present a method based on capacitive measurements, which allows the detailed, automated and high-throughput quantification of feeding behaviour. Using this method, we were able to measure the volume ingested in single sips of an individual, and monitor the absorption of food with high temporal resolution. We demonstrate that flies ingest food by rhythmically extending their proboscis with a frequency that is not modulated by the internal state of the animal. Instead, hunger and satiety homeostatically modulate the microstructure of feeding. These results highlight similarities of food intake regulation between insects, rodents, and humans, pointing to a common strategy in how the nervous systems of different animals control food intake.

Abstract The ability to obtain single cell transcriptomes for stable cell types and dynamic cell states is ushering in a new era for biology. We created the Tabula Drosophilae , a single cell atlas of the adult fruit fly which includes 580k cells from 15 individually dissected sexed tissues as well as the entire head and body. Over 100 researchers from the fly community contributed annotations to >250 distinct cell types across all tissues. We provide an in-depth analysis of cell type-related gene signatures and transcription factor markers, as well as sexual dimorphism, across the whole animal. Analysis of common cell types that are shared between tissues, such as blood and muscle cells, allowed the discovery of rare cell types and tissue-specific subtypes. This atlas provides a valuable resource for the entire Drosophila community and serves as a comprehensive reference to study genetic perturbations and disease models at single cell resolution.

Summary Sex pheromones are key social signals in most animals. In Drosophila a dedicated olfactory channel senses a male pheromone, cis-vaccenyl acetate (cVA) that promotes female courtship while repelling males. Here we show that flies use separate cVA processing streams to extract qualitative and positional information. cVA olfactory neurons are sensitive to concentration differences in a 5 mm range around a male. Second-order projection neurons detect inter-antennal differences in cVA concentration, encoding the angular position of a male. We identify a circuit mechanism increasing left-right contrast through an interneuron which provides contralateral inhibition. At the third layer of the circuit we identify neurons with distinct response properties and sensory integration motifs. One population is selectively tuned to an approaching male with speed-dependent responses. A second population responds tonically to a male’s presence and controls female mating decisions. A third population integrates a male taste cue with cVA; only a simultaneous presentation of both signals promotes female mating via this pathway. Thus the olfactory system generates a range of complex percepts in discrete populations of central neurons that allow the expression of appropriate behaviors depending on context. Such separation of olfactory features resembles the mammalian what and where visual streams. Highlights cVA male pheromone has a 5 mm signaling range, activating two parallel central pathways Pheromone-sensing neurons have spatial receptive fields sharpened by contralateral inhibition Position (where) and identity (what) are separated at the 3rd layer of cVA processing Integrating taste and cVA in sexually dimorphic aSP-g controls female receptivity