Gene positioning and regulation of nuclear architecture are thought to influence gene expression. Here, we show that, in mouse olfactory neurons, silent olfactory receptor (OR) genes from different chromosomes converge in a small number of heterochromatic foci. These foci are OR exclusive and form in a cell-type-specific and differentiation-dependent manner. The aggregation of OR genes is developmentally synchronous with the downregulation of lamin b receptor (LBR) and can be reversed by ectopic expression of LBR in mature olfactory neurons. LBR-induced reorganization of nuclear architecture and disruption of OR aggregates perturbs the singularity of OR transcription and disrupts the targeting specificity of the olfactory neurons. Our observations propose spatial sequestering of heterochromatinized OR family members as a basis of monogenic and monoallelic gene expression.

Animals can discriminate myriad sensory stimuli but can also generalize from learned experience. You can probably distinguish the favorite teas of your colleagues while still recognizing that all tea pales in comparison to coffee. Tradeoffs between detection, discrimination, and generalization are inherent at every layer of sensory processing. During development, specific quantitative parameters are wired into perceptual circuits and set the playing field on which plasticity mechanisms play out. A primary goal of systems neuroscience is to understand how material properties of a circuit define the logical operations-computations--that it makes, and what good these computations are for survival. A cardinal method in biology-and the mechanism of evolution--is to change a unit or variable within a system and ask how this affects organismal function. Here, we make use of our knowledge of developmental wiring mechanisms to modify hard-wired circuit parameters in the Drosophila melanogaster mushroom body and assess the functional and behavioral consequences. By altering the number of expansion layer neurons (Kenyon cells) and their dendritic complexity, we find that input number, but not cell number, tunes odor selectivity. Simple odor discrimination performance is maintained when Kenyon cell number is reduced and augmented by Kenyon cell expansion.

Abstract In the fruit fly Drosophila melanogaster , male-specific splicing and translation of the Fruitless transcription factor (Fru M ) alters the presence, anatomy, and/or connectivity of >60 types of central brain neurons that interconnect to generate male-typical behaviors. While the indispensable function of Fru M in sex-specific behavior has been understood for decades, the molecular mechanisms underlying its activity remain unknown. Here, we take a genome-wide, brain-wide approach to identifying regulatory elements whose activity depends on the presence of Fru M . We identify 436 high-confidence genomic regions differentially accessible in male fruitless neurons, validate candidate regions as bona-fide, differentially regulated enhancers, and describe the particular cell types in which these enhancers are active. We find that individual enhancers are not activated universally but are dedicated to specific fru + cell types. Aside from fru itself, genes are not dedicated to or common across the fru circuit; rather, Fru M appears to masculinize each cell type differently, by tweaking expression of the same effector genes used in other circuits. Finally, we find Fru M motifs enriched among regulatory elements that are open in the female but closed in the male. Together, these results suggest that Fru M acts cell-type-specifically to decommission regulatory elements in male fruitless neurons.

Chromatin organization plays a crucial role in gene regulation by controlling the accessibility of DNA to transcription machinery. While significant progress has been made in understanding the regulatory role of clock proteins in circadian rhythms, how chromatin organization affects circadian rhythms remains poorly understood. Here, we employed ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin with Sequencing) on FAC-sorted Drosophila clock neurons to assess genome-wide chromatin accessibility at dawn and dusk over the circadian cycle. We observed significant oscillations in chromatin accessibility at promoter and enhancer regions of hundreds of genes, with enhanced accessibility either at dusk or dawn, which correlated with their peak transcriptional activity. Notably, genes with enhanced accessibility at dusk were enriched with E-box motifs, while those more accessible at dawn were enriched with VRI/PDP1-box motifs, indicating that they are regulated by the core circadian feedback loops, PER/CLK and VRI/PDP1, respectively. Further, we observed a complete loss of chromatin accessibility rhythms in per 01 null mutants, with chromatin consistently accessible at both dawn and dusk, underscoring the critical role of Period protein in driving chromatin compaction during the repression phase at dawn. Together, this study demonstrates the significant role of chromatin organization in circadian regulation, revealing how the interplay between clock proteins and chromatin structure orchestrates the precise timing of biological processes throughout the day. This work further implies that variations in chromatin accessibility might play a central role in the generation of diverse circadian gene expression patterns in clock neurons.

Abstract The radiation of mammals at the extinction of the dinosaurs produced a plethora of new forms—as diverse as bats, dolphins, and elephants—in only 10-20 million years. Behind the scenes, adaptation to new niches is accompanied by extensive innovation in large families of genes that allow animals to contact the environment, including chemosensors, xenobiotic enzymes, and immune and barrier proteins. Genes in these “outward-looking” families are allelically diverse among humans and exhibit tissue-specific and sometimes stochastic expression. Here, we show that outward-looking genes are clustered in tandem arrays, enriched in AT-biased isochores, and lack CpG islands in their promoters. Models of mammalian genome evolution have not incorporated the sharply different functions and transcriptional patterns of genes in AT-versus GC-biased regions. To examine the relationship between gene family expansion, sequence content, and functional diversification, we use population genetic data and comparative analysis. First, we find that AT bias can emerge with gene family expansion in cis . Second, human genes in AT-biased isochores or with GC-poor promoters experience relatively low rates of de novo point mutation today but are enriched for functional variants. Finally, we find that isochores containing gene clusters exhibit low rates of recombination. We hypothesize that the depletion of GC bases in outward-facing gene clusters results from tolerance of sequence variation and low recombination. In turn, high AT content exerts a profound effect on their chromatin organization and transcriptional regulation.

The arthropod mushroom body is well-studied as an expansion layer that represents olfactory stimuli and links them to contingent events. However, 8% of mushroom body Kenyon cells in Drosophila melanogaster receive predominantly visual input, and their tuning and function are poorly understood. Here, we use the FlyWire adult whole-brain connectome to identify inputs to visual Kenyon cells. The types of visual neurons we identify are similar across hemispheres and connectomes with certain inputs highly overrepresented. Many visual projection neurons presynaptic to Kenyon cells receive input from large swathes of visual space, while local visual interneurons, providing smaller fractions of input, receive more spatially restricted signals that may be tuned to specific features of the visual scene. Like olfactory Kenyon cells, visual Kenyon cells receive sparse inputs from different combinations of visual channels, including inputs from multiple optic lobe neuropils. The sets of inputs to individual visual Kenyon cells are consistent with random sampling of available inputs. These connectivity patterns suggest that visual coding in the mushroom body, like olfactory coding, is sparse, distributed, and combinatorial. However, the expansion coding properties appear different, with a specific repertoire of visual inputs projecting onto a relatively small number of visual Kenyon cells.

Chromatin organization plays a crucial role in gene regulation by controlling the accessibility of DNA to transcription machinery. While significant progress has been made in understanding the regulatory role of clock proteins in circadian rhythms, how chromatin organization affects circadian rhythms remains poorly understood. Here, we employed ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin with Sequencing) on FAC-sorted Drosophila clock neurons to assess genome-wide chromatin accessibility over the circadian cycle. We observed significant circadian oscillations in chromatin accessibility at promoter and enhancer regions of hundreds of genes, with enhanced accessibility either at dusk or dawn, which correlated with their peak transcriptional activity. Notably, genes with enhanced accessibility at dusk were enriched with E-box motifs, while those more accessible at dawn were enriched with VRI/PDP1-box motifs, indicating that they are regulated by the core circadian feedback loops, PER/CLK and VRI/PDP1, respectively. Further, we observed a complete loss of chromatin accessibility rhythms in per01 null mutants, with chromatin consistently accessible throughout the circadian cycle, underscoring the critical role of Period protein in driving chromatin compaction during the repression phase. Together, this study demonstrates the significant role of chromatin organization in circadian regulation, revealing how the interplay between clock proteins and chromatin structure orchestrates the precise timing of biological processes throughout the day. This work further implies that variations in chromatin accessibility might play a central role in the generation of diverse circadian gene expression patterns in clock neurons.

The brain can represent almost limitless objects to "categorize an unlabeled world" (Edelman, 1989). This feat is supported by expansion layer circuit architectures, in which neurons carrying information about discrete sensory channels make combinatorial connections onto much larger postsynaptic populations. Combinatorial connections in expansion layers are modeled as randomized sets. The extent to which randomized wiring exists in vivo is debated, and how combinatorial connectivity patterns are generated during development is not understood. Non-deterministic wiring algorithms could program such connectivity using minimal genomic information. Here, we investigate anatomic and transcriptional patterns and perturb partner availability to ask how Kenyon cells, the expansion layer neurons of the insect mushroom body, obtain combinatorial input from olfactory projection neurons. Olfactory projection neurons form their presynaptic outputs in an orderly, predictable, and biased fashion. We find that Kenyon cells accept spatially co-located but molecularly heterogeneous inputs from this orderly map, and ask how Kenyon cell surface molecule expression impacts partner choice. Cell surface immunoglobulins are broadly depleted in Kenyon cells, and we propose that this allows them to form connections with molecularly heterogeneous partners. This model can explain how developmentally identical neurons acquire diverse wiring identities.

In order to represent complex stimuli, principle neurons of associative learning regions receive combinatorial sensory inputs. Density of combinatorial innervation is theorized to determine the number of distinct stimuli that can be represented and distinguished from one another, with sparse innervation thought to optimize the complexity of representations in networks of limited size. How the convergence of combinatorial inputs to principle neurons of associative brain regions is established during development is unknown. Here, we explore the developmental patterning of sparse olfactory inputs to Kenyon cells of the Drosophila melanogaster mushroom body. By manipulating the ratio between pre- and post-synaptic cells, we find that postsynaptic Kenyon cells set convergence ratio: Kenyon cells produce fixed distributions of dendritic claws while presynaptic processes are plastic. Moreover, we show that sparse odor responses are preserved in mushroom bodies with reduced cellular repertoires, suggesting that developmental specification of convergence ratio allows functional robustness.