ABSTRACT Maintaining or shifting between behavioral states according to context is essential for animals to implement fitness-promoting strategies. How integration of internal state, past experience and sensory inputs orchestrate persistent multidimensional behavior changes remains poorly understood. Here, we show that C. elegans integrates food availability and environment temperature over different timescales to engage in persistent dwelling, scanning, global or glocal search strategies matching thermoregulatory and feeding needs. Transition between states, in each case, requires lifting multiple regulatory gates including AFD or FLP tonic sensory neurons activity, neuropeptide expression and downstream circuit responsiveness. State-specific FLP-6 or FLP-5 neuropeptide signaling acts on a distributed set of inhibitory receptors to promote scanning or glocal search, respectively, bypassing dopamine and glutamate-dependent behavioral state control. Multisite gating-dependent behavioral switch by GPCRs in tonic sensory circuits might represent a conserved regulatory logic for persistent behavioral state transitions enabling a flexible prioritization on the valance of multiple inputs.

Abstract Transcriptional enhancers must find their target genes both efficiently and specifically. Chromatin conformation capture revealed the critical function of three-dimensional chromosome segmentation by topologically associated domains (TADs) to limit the search space of enhancers for promoters in mammals. In nematodes, although more than 30’000 sequences with characteristic enhancer chromatin features have been identified, the autosomal genome is not segmented by TADs, raising the question of the mechanism directing enhancer-promoter specificity. Using high-resolution HiC, we show that enhancer loci correlate with 3D hairpin-like structures extending 10-50 kb from the enhancers, hereafter designated as fountains. Fountains are specific to active enhancers, accumulate the major somatic cohesin and disappear when the latter is cleaved in vivo . Fountains accumulate topological constraints and are enriched for topoisomerases and the negatively-supercoiled DNA binder psoralen. Short-term topoisomerase depletion leads to small-scale structural changes at the fountain tip. Functionally, fountain disappearance correlates with enhancer-proximal gene activation, suggesting fountains play a similar role as TADs and direct enhancer-promoter interactions, in particular for genes expressed in neurons. We directly observe this cell-type specific upregulation for the skn-1/Nrf gene in a pair of head neurons. Phenotypically, cohesin cleavage has a major impact on nematode movement and foraging attitudes, demonstrating that changes in neuronal gene expression impact nervous system function, reminiscent of pathologies caused by cohesin mutations in humans. Together, this study highlights a clear link between 3D genome organization at enhancers by cohesin, transcriptional gene regulation and animal behavior.

Many nematodes possess N-glycans with complex core chitobiose modifications, which is a feature observed in various free-living and parasitic nematodes but is absent in mammals. Using Caenorhabditis elegans as a model to study N-glycan biosynthesis, we demonstrated that the core N-acetylglucosamine (GlcNAc) residues can be modified by three fucosyltransferases in the Golgi, namely FUT-1, FUT-6 and FUT-8. While the asparagine-linked GlcNAc is modified with a α1,3- and α1,6-linked fucose by FUT-1 and FUT-8 respectively, the distal GlcNAc residue is α1,3-fucosylated solely by FUT-6. Interestingly, FUT-6 can only fucosylate N-glycan structures lacking the α1,6-mannose upper arm, indicating that a specific α-mannosidase is required to generate substrates for subsequent FUT-6 activity. By analysing the N-glycomes of aman-3 mutants (tm5400 and a CRISPR/Cas9 knockout, hex-2;hex-3;aman-3) using offline HPLC-MALDI-TOF MS/MS, we observed that the absence of the aman-3 gene abolishes α1,3-fucosylation of the distal GlcNAc of N-glycans, which suggests that AMAN-3 is the relevant mannosidase on whose action FUT-6 depends. To further investigate it, we recombinantly expressed AMAN-3 in insect cells and characterised its enzymatic activity in vitro. In contrast to the classical Golgi α-mannosidase II (AMAN-2), AMAN-3 displayed a cobalt-dependent α1,6-mannosidase activity towards N-glycans. Using AMAN-3 and other recombinant C. elegans glycoenzymes, we remodelled a fluorescein conjugated-Man5GlcNAc2 structure; we were able to mimic N-glycan biosynthesis in the Golgi and generate a tri-fucosylated glycan in vitro. We performed confocal microscopy studies using a knock-in strain (aman-3::eGFP) and could show the Golgi localisation of AMAN-3. In addition, using a high-content computer-assisted C. elegans analysis platform, we observed that AMAN-3 deficient worms display significant developmental delays, morphological and behavioural alterations in comparison to the wild type. Therefore, our data suggested that AMAN-3 participates in nematode N-glycan biosynthesis in the Golgi and generates substrates for FUT-6; thereby, this enzyme is essential for the formation of the unusual tri-fucosylated chitobiose cores of nematode N-glycans, which may play important roles in nematode development and behaviour.