We have produced gene expression profiles of all 302 neurons of the C. elegans nervous system that match the single-cell resolution of its anatomy and wiring diagram. Our results suggest that individual neuron classes can be solely identified by combinatorial expression of specific gene families. For example, each neuron class expresses distinct codes of ∼23 neuropeptide genes and ∼36 neuropeptide receptors, delineating a complex and expansive “wireless” signaling network. To demonstrate the utility of this comprehensive gene expression catalog, we used computational approaches to (1) identify cis-regulatory elements for neuron-specific gene expression and (2) reveal adhesion proteins with potential roles in process placement and synaptic specificity. Our expression data are available at https://cengen.org and can be interrogated at the web application CengenApp. We expect that this neuron-specific directory of gene expression will spur investigations of underlying mechanisms that define anatomy, connectivity, and function throughout the C. elegans nervous system.

Abstract A single neuron and its synapses define the fundamental structural motif of the brain but the underlying gene expression programs that specify individual neuron types are poorly understood. To address this question in a model organism, we have produced a gene expression profile of >90% of the individual neuron classes in the C. elegans nervous system, an ensemble of neurons for which both the anatomy and connectivity are uniquely defined at single cell resolution. We generated single cell transcriptomes for 52,412 neurons that resolve as clusters corresponding to 109 of the canonical 118 neuron classes in the mature hermaphrodite nervous system. Detailed analysis revealed molecular signatures that further subdivide identified classes into specific neuronal subtypes. Notably, neuropeptide-related genes are often differentially expressed between subtypes of the given neuron class which points to distinct functional characteristics. All of these data are publicly available at our website ( http://www.cengen.org ) and can be interrogated at the web application SCeNGEA ( https://cengen.shinyapps.io/SCeNGEA ). We expect that this gene expression catalog will spur the goal of delineating the underlying mechanisms that define the developmental lineage, detailed anatomy, synaptic connectivity and function of each type of C. elegans neuron.

Summary Nervous systems are constructed from a deep repertoire of neuron types but the underlying gene expression programs that specify individual neuron identities are poorly understood. To address this deficit, we have produced an expression profile of all 302 neurons of the C. elegans nervous system that matches the single cell resolution of its anatomy and wiring diagram. Our results suggest that individual neuron classes can be solely identified by combinatorial expression of specific gene families. For example, each neuron class expresses unique codes of ∼23 neuropeptide-encoding genes and ∼36 neuropeptide receptors thus pointing to an expansive “wireless” signaling network. To demonstrate the utility of this uniquely comprehensive gene expression catalog, we used computational approaches to (1) identify cis-regulatory elements for neuron-specific gene expression across the nervous system and (2) reveal adhesion proteins with potential roles in synaptic specificity and process placement. These data are available at cengen.org and can be interrogated at the web application CengenApp. We expect that this neuron-specific directory of gene expression will spur investigations of underlying mechanisms that define anatomy, connectivity and function throughout the C. elegans nervous system.

Recent reports suggest that mosaic-like sequences within the mtr (multiple transferable resistance) efflux pump locus of Neisseria gonorrhoeae likely originating from commensal Neisseria sp. by transformation can increase the ability of gonococci to resist structurally diverse antimicrobials. Thus, acquisition of numerous nucleotide changes within the mtrR gene encoding the transcriptional repressor (MtrR) of the mtrCDE efflux pump-encoding operon or overlapping promoter region for both along with those that cause amino acid changes in the MtrD transporter protein were recently reported to decrease gonococcal susceptibility to numerous antimicrobials, including azithromycin (Azi) (Wadsworth et al. 2018. MBio. doi.org/10.1128/mBio.01419-18). We performed detailed genetic and molecular studies to define the mechanistic basis for why such strains can exhibit decreased susceptibility to MtrCDE antimicrobial substrates including Azi. We report that a strong cis-acting transcriptional impact of a single nucleotide change within the -35 hexamer of the mtrCDE promoter as well gain-of-function amino acid changes at the C-terminal region of MtrD can mechanistically account for the decreased antimicrobial susceptibility of gonococci with a mosaic-like mtr locus.

Neisseria gonorrhoeae is a bacterial pathogen responsible for the sexually transmitted infection, gonorrhea. Emergence of antimicrobial resistance (AMR) of N. gonorrhoeae worldwide has resulted in limited therapeutic choices for this infection. Men who seek treatment often have symptomatic urethritis; in contrast, gonococcal cervicitis in women is usually minimally symptomatic, but may progress to pelvic inflammatory disease. Previously, we reported the first analysis of gonococcal transcriptome expression determined in secretions from women with cervical infection. Here, we defined gonococcal global transcriptional responses in urethral specimens from men with symptomatic urethritis and compared these with transcriptional responses in specimens obtained from women with cervical infections, and of in vitro-grown N. gonorrhoeae isolates. This is the first comprehensive comparison of gonococcal gene expression in infected men and women. RNA sequencing analysis revealed that 9.4% of gonococcal genes showed increased expression exclusively in men and included genes involved in host immune cell interactions and 4.3% showed increased expression exclusively in women and included phage-associated genes. Infected men and women displayed comparable antibiotic resistant-genotypes and in vitro phenotypes, but a 4-fold higher expression of the Mtr efflux pump-related genes was observed in men. These results suggest that expression of AMR genes is programmed genotypically, and also driven by sex-specific environments. Collectively, our results indicate that distinct N. gonorrhoeae gene expression signatures are detected during genital infection in men and women. We propose that therapeutic strategies could target sex specific differences in expression of antibiotic resistance genes.