The gamma-aminobutyric acid (GABA)-benzodiazepine receptor complex, which is composed of distinct proteins embedded in the neuronal plasma membrane, is important for several effects of benzodiazepines, including protection afforded against convulsions. During structural modification of ethyl beta-carboline-3-carboxylate an agent was discovered which has high affinity for brain benzodiazepine receptors but which is a potent convulsant. Also in contrast to benzodiazepines, this type of benzodiazepine receptor ligand favors benzodiazepine receptors in the non-GABA-stimulated conformation, which may explain the convulsive properties.

Inhaled anesthetics are a chemically diverse collection of hydrophobic molecules that robustly activate TWIK-related K+ channels (TREK-1) and reversibly induce loss of consciousness. For 100 y, anesthetics were speculated to target cellular membranes, yet no plausible mechanism emerged to explain a membrane effect on ion channels. Here we show that inhaled anesthetics (chloroform and isoflurane) activate TREK-1 through disruption of phospholipase D2 (PLD2) localization to lipid rafts and subsequent production of signaling lipid phosphatidic acid (PA). Catalytically dead PLD2 robustly blocks anesthetic TREK-1 currents in whole-cell patch-clamp recordings. Localization of PLD2 renders the TRAAK channel sensitive, a channel that is otherwise anesthetic insensitive. General anesthetics, such as chloroform, isoflurane, diethyl ether, xenon, and propofol, disrupt lipid rafts and activate PLD2. In the whole brain of flies, anesthesia disrupts rafts and PLDnull flies resist anesthesia. Our results establish a membrane-mediated target of inhaled anesthesia and suggest PA helps set thresholds of anesthetic sensitivity in vivo.

Summary Western Eurasia witnessed several large-scale human migrations during the Holocene 1–5 . To investigate the cross-continental impacts we shotgun-sequenced 317 primarily Mesolithic and Neolithic genomes from across Northern and Western Eurasia. These were imputed alongside published data to obtain diploid genotypes from >1,600 ancient humans. Our analyses revealed a ‘Great Divide’ genomic boundary extending from the Black Sea to the Baltic. Mesolithic hunter-gatherers (HGs) were highly genetically differentiated east and west of this zone, and the impact of the neolithisation was equally disparate. Large-scale ancestry shifts occurred in the west as farming was introduced, including near-total replacements of HGs in many areas, whereas no substantial ancestry shifts happened east of the zone during the same period. Similarly, relatedness decreased in the west from the Neolithic transition onwards, while east of the Urals relatedness remained high until ∼4,000 BP, consistent with persistence of localised HG groups. The boundary dissolved when Yamnaya-related ancestry spread across western Eurasia around 5,000 BP resulting in a second major turnover that reached most parts of Europe within a 1,000-year span. The genetic origin and fate of the Yamnaya have remained elusive but we demonstrate that HGs from the Middle Don region contributed ancestry to them. Yamnaya-groups later admixed with individuals associated with the Globular Amphora Culture before expanding into Europe. Similar turnovers occurred in western Siberia, where we report new genomic data from a ‘Neolithic steppe’ cline spanning the Siberian forest steppe to Lake Baikal. These prehistoric migrations had profound and lasting effects on the genetic diversity of Eurasian populations.

Abstract Major migration events in Holocene Eurasia have been characterized genetically at broad regional scales 1–4 . However, insights into the population dynamics in the contact zones are hampered by a lack of ancient genomic data sampled at high spatiotemporal resolution 5–7 . Here, to address this, we analysed shotgun-sequenced genomes from 100 skeletons spanning 7,300 years of the Mesolithic period, Neolithic period and Early Bronze Age in Denmark and integrated these with proxies for diet ( 13 C and 15 N content), mobility ( 87 Sr/ 86 Sr ratio) and vegetation cover (pollen). We observe that Danish Mesolithic individuals of the Maglemose, Kongemose and Ertebølle cultures form a distinct genetic cluster related to other Western European hunter-gatherers. Despite shifts in material culture they displayed genetic homogeneity from around 10,500 to 5,900 calibrated years before present, when Neolithic farmers with Anatolian-derived ancestry arrived. Although the Neolithic transition was delayed by more than a millennium relative to Central Europe, it was very abrupt and resulted in a population turnover with limited genetic contribution from local hunter-gatherers. The succeeding Neolithic population, associated with the Funnel Beaker culture, persisted for only about 1,000 years before immigrants with eastern Steppe-derived ancestry arrived. This second and equally rapid population replacement gave rise to the Single Grave culture with an ancestry profile more similar to present-day Danes. In our multiproxy dataset, these major demographic events are manifested as parallel shifts in genotype, phenotype, diet and land use.

Volatile anesthetics are compounds that are commonly used to induce a reversible loss of consciousness (LOC) in animals. The molecular mechanism of how anesthetics induce LOC is largely unknown. However, observations have been made which show that there are genetically-encoded traits that influence the effective concentration of anesthetics in the inducement of LOC. Despite this long-term observation, little progress has been made in identifying genes involved in anesthetic sensitivity. One reason for this is that many techniques to test anesthetic sensitivity are technically challenging and are inhibitory for high-throughput studies. Here we introduce a technique for testing volatiles and aerosols with positional recording (VAAPR), a method which allows for high-throughput testing of the effect of anesthetics and other aerosolized drugs using Drosophila. Using VAAPR we show that the enzyme phospholipase D (PLD) significantly shifts the concentration of diethyl ether, chloroform, and isoflurane needed to induce LOC in Drosophila. We also show that PLD is required for a paradoxical hyperactivity phenotype. We expect that this technique will allow for additional genes to be found which control anesthetic sensitivity as well as other behavioral phenotypes.

The transduction of force into a biological signal is critical to all living organisms. Recently, disruption of ordered lipids has emerged as an atypical force sensor in biological membranes; however, disruption has yet to link with canonical channel mechanosensation. Here we show that force-induced disruption and lipid mixing activates TWIK-related K+ channel (TREK-1), and that this activation is dependent on phospholipase D2 (PLD2). PLD2 transduces the force into a chemical signal phosphatidic acid (PA) that is then sensed by TREK-1 with a latency of <3 ms. TREK-1 then produces a mechanically induced change in membrane potential. Hence, in a biological membrane, we show the ordered lipid is the force sensor, PLD2 is a chemical transducer, and the mechanosensitive ion channel TREK-1 is a downstream effector of mechanical transduction. Confirming this central role for PA singling in force transduction, genetic deletion of PLD decreases mechanosensitivity and pain thresholds in D. melanogaster .

Inhaled anesthetics are a chemically diverse collection of hydrophobic molecules that robustly activate TWIK related K+ channels (TREK-1) and reversibly induce loss of consciousness. For a hundred years anesthetics were speculated to target cellular membranes, yet no plausible mechanism emerged to explain a membrane effect on ion channels. Here we show that inhaled anesthetics (chloroform and isoflurane) activate TREK-1 through disruption of palmitate-mediated localization of phospholipase D2 (PLD2) to lipid rafts and subsequent production of signaling lipid phosphatidic acid (PA). Catalytically dead PLD2 robustly blocks anesthetic TREK-1 currents in cell patch-clamp. Localization of PLD2 renders the anesthetic-insensitive TRAAK channel sensitive. General anesthetics chloroform, isoflurane, diethyl ether, xenon, and propofol disrupt lipid rafts and activate PLD2. In the whole brain of flies, anesthesia disrupts rafts and PLDnull flies resist anesthesia. Our results establish a membrane mediated target of inhaled anesthesia and suggest PA helps set anesthetic sensitivity in vivo .