Evidence from animal studies and human famines suggests that starvation may affect the health of the progeny of famished individuals. However, it is not clear whether starvation affects only immediate offspring or has lasting effects; it is also unclear how such epigenetic information is inherited. Small RNA-induced gene silencing can persist over several generations via transgenerationally inherited small RNA molecules in C. elegans, but all known transgenerational silencing responses are directed against foreign DNA introduced into the organism. We found that starvation-induced developmental arrest, a natural and drastic environmental change, leads to the generation of small RNAs that are inherited through at least three consecutive generations. These small, endogenous, transgenerationally transmitted RNAs target genes with roles in nutrition. We defined genes that are essential for this multigenerational effect. Moreover, we show that the F3 offspring of starved animals show an increased lifespan, corroborating the notion of a transgenerational memory of past conditions.

Induced expression of the Flock House virus in the soma of C. elegans results in the RNAi-dependent production of virus-derived, small-interfering RNAs (viRNAs), which in turn silence the viral genome. We show here that the viRNA-mediated viral silencing effect is transmitted in a non-Mendelian manner to many ensuing generations. We show that the viral silencing agents, viRNAs, are transgenerationally transmitted in a template-independent manner and work in trans to silence viral genomes present in animals that are deficient in producing their own viRNAs. These results provide evidence for the transgenerational inheritance of an acquired trait, induced by the exposure of animals to a specific, biologically relevant physiological challenge. The ability to inherit such extragenic information may provide adaptive benefits to an animal.

Delivering macromolecules across biological barriers such as the blood-brain barrier limits their application in vivo. Previous work has demonstrated that Toxoplasma gondii, a parasite that naturally travels from the human gut to the central nervous system (CNS), can deliver proteins to host cells. Here we engineered T. gondii's endogenous secretion systems, the rhoptries and dense granules, to deliver multiple large (>100 kDa) therapeutic proteins into neurons via translational fusions to toxofilin and GRA16. We demonstrate delivery in cultured cells, brain organoids and in vivo, and probe protein activity using imaging, pull-down assays, scRNA-seq and fluorescent reporters. We demonstrate robust delivery after intraperitoneal administration in mice and characterize 3D distribution throughout the brain. As proof of concept, we demonstrate GRA16-mediated brain delivery of the MeCP2 protein, a putative therapeutic target for Rett syndrome. By characterizing the potential and current limitations of the system, we aim to guide future improvements that will be required for broader application.

Abstract The poet W.B Yeats wrote that “All that is personal soon rots, it must be packed in ice or salt” . Here we show that in Caenorhabditis elegans nematodes, simple animals with just 302 neurons, memories are preserved on ice and in lithium salt. C. elegans nematodes can form associative memories, which are typically forgotten quickly. We discovered that when placed on ice, worms delay forgetting of specific olfactory memories by at least 8-fold. Delayed forgetting was canceled completely when the worms were gradually adapted to low temperatures, owing to a genetically-encoded program that turns acclimated worms cold-tolerant. RNA-seq, mutant analyses, and pharmacological assays revealed that regulation of membrane properties switches cold-induced delayed forgetting ON and OFF, and, remarkably, that lithium delays forgetting only in cold-sensitive but not cold-tolerant worms. We found that downregulation of the diacylglycerol pathway in the AWC sensory neurons is essential for lithium-mediated delayed forgetting, and using neuronal activity recordings located the memory trace to the downstream AIY interneurons. We suggest that the awesome genetic tractability of C. elegans might be harnessed to study the effects of lithium and cold temperatures on the brain, why it influences psychiatric disorders, and even more fundamentally how memory is stored and lost.

Abstract Plants can show long-term effects of environmental stresses and in some cases a stress ‘memory’ has been reported to persist across generations, potentially mediated by epigenetic mechanisms. However, few documented cases exist of transgenerational effects that persist for multiple generations and it remains unclear if or how epigenetic mechanisms are involved. Here we show that the composition of small regulatory RNAs in apomictic dandelion lineages reveals a footprint of drought stress and salicylic acid treatment experienced two generations ago. Overall proportions of 21nt and 24nt RNA pools were shifted due to grandparental treatments. While individual genes did not show strong up- or downregulation of associated sRNAs, the subset of genes that showed the strongest shifts in sRNA abundance was significantly enriched for several GO terms including stress-specific functions. This indicates that a stress-induced signal was transmitted across multiple unexposed generations leading to persistent and functional changes in epigenetic gene regulation.

Life experiences trigger transgenerational small RNA-based responses in C. elegans nematodes. Dedicated machinery ensures that heritable effects would re-set, typically after a few generations. Here we show that isogenic individuals differ dramatically in the persistence of transgenerational responses. By examining lineages composed of >20,000 worms we reveal 3 inheritance rules: (1) Once a response is initiated, each isogenic mother stochastically assumes an 'inheritance state', establishing a commitment that determines the fate of the inheritance. (2) The response that each mother transfers is uniform in each generation of her descendants. (3) The likelihood that an RNAi response would transmit to the progeny increases the more generations the response lasts, according to a 'hot hand' principle. Mechanistically, the different parental inheritance states correspond to global changes in the expression levels of endogenous small RNAs, immune response genes, and targets of the conserved transcription factor HSF-1. We show that these rules predict the descendants' developmental rate and resistance to stress.

In Caenorhabditis elegans, RNA interference (RNAi) responses can transmit across generations via heritable small RNAs. Heritable RNAi memory is associated with Histone-3-Lysine-9 tri-methylation (H3K9me3) of the targeted genes. In other organisms, maintenance of silencing responses requires a feed-forward loop between H3K9me3 and small RNAs. In C. elegans, however, we find that the effect of H3K9 methyltransferase mutants on heritable RNAi is more complex. In this paper, we show that not only that H3K9me3 is unnecessary for inheritance, the effect of this modification depends on the identity of the RNAi-targeted gene. We found an asymmetry in the requirement for H3K9me3 and the two main worm H3K9me3 methyltransferases, SET-25 and SET-32. Both methyltransferases promote heritable silencing of the foreign gene gfp, but are dispensable for silencing of the endogenous gene oma-1. Genome-wide examination of heritable endogenous small interfering RNAs (endo-siRNAs) revealed that the heritable endo-siRNAs which are lost in set-25 mutants target newly acquired and highly H3K9me3 marked C. elegans genes. Thus, "repressive" chromatin marks could be important specifically for heritable RNAi silencing of genes which are flagged as "foreign", such as gfp.

Protein therapy has the potential to alleviate many neurological diseases; however, delivery mechanisms for the central nervous system (CNS) are limited, and intracellular delivery poses additional hurdles. To address these challenges, we harnessed the protist parasite Toxoplasma gondii, which can migrate into the CNS and secrete proteins into cells. Using a fusion protein approach, we engineered T. gondii to secrete therapeutic proteins for human neurological disorders. We tested two secretion systems, generated fusion proteins that localized to the secretory organelles of T. gondii and assessed their intracellular targeting in various mammalian cells including neurons. We show that T. gondii expressing GRA16 fused to the Rett syndrome protein MeCP2 deliver a fusion protein that mimics the endogenous MeCP2, binding heterochromatic DNA in neurons. This demonstrates the potential of T. gondii as a therapeutic protein vector, which could provide either transient or chronic, in situ synthesis and delivery of intracellular proteins to the CNS.

Rational choice theory assumes optimality in decision-making. Violations of a basic axiom of economic rationality known as 'Independence of Irrelevant Alternatives' (IIA), have been demonstrated in both humans and animals, and could stem from common neuronal constraints. We developed tests for IIA in the nematode Caenorhabditis elegans, an animal with only 302 neurons, using olfactory chemotaxis assays. We found that in most cases C. elegans make rational decisions. However, by probing multiple neuronal architectures using various choice sets, we show that asymmetric sensation of odor options by the AWCon neuron can lead to violations of rationality. We further show that genetic manipulations of the asymmetry between the AWC neurons can make the worm rational or irrational. Last, a normalization-based model of value coding and gain control explains how particular neuronal constraints on information coding give rise to irrationality. Thus, we demonstrate that bounded rationality could arise due to basic neuronal constraints.

Abstract It is unknown whether transient transgenerational epigenetic responses to environmental challenges affect the process of evolution, which typically unfolds over many generations. Here we show that in C. elegans , inherited small RNAs shape the hard-wired genome and control genetic variation by regulating the decision of whether to self-fertilize or outcross. We found that under stressful temperatures younger hermaphrodites secrete a male-attracting pheromone. Attractiveness transmits transgenerationally to unstressed progeny via heritable small RNAs and the Argonaute Heritable-RNAi-Deficient-1. We identified an endogenous small interfering RNA pathway, enriched in endo-siRNAs which target sperm genes, that transgenerationally regulates sexual attraction, male prevalence, and outcrossing rates. Multigenerational mating competitions and mathematical simulations revealed that over generations, animals that inherit attractiveness mate more, and their alleles spread in the population. We propose that sperm serves as a “stress sensor” which, via small RNA inheritance, can promote outcrossing in challenging environments, when increasing genetic variation is advantageous.