We have developed an experimental strategy to monitor protein interactions in a cell with a high degree of selectivity and sensitivity. A transcription factor is tethered to a membrane-bound receptor with a linker that contains a cleavage site for a specific protease. Activation of the receptor recruits a signaling protein fused to the protease that then cleaves and releases the transcription factor to activate reporter genes in the nucleus. This strategy converts a transient interaction into a stable and amplifiable reporter gene signal to record the activation of a receptor without interference from endogenous signaling pathways. We have developed this assay for three classes of receptors: G protein-coupled receptors, receptor tyrosine kinases, and steroid hormone receptors. Finally, we use the assay to identify a ligand for the orphan receptor GPR1, suggesting a role for this receptor in the regulation of inflammation.

The expression of a single odorant receptor (OR) gene from a large gene family in individual sensory neurons is an essential feature of the organization and function of the olfactory system. We have used chromosome conformation capture to demonstrate the specific association of an enhancer element, H, on chromosome 14 with multiple OR gene promoters on different chromosomes. DNA and RNA fluorescence in situ hybridization (FISH) experiments allow us to visualize the colocalization of the H enhancer with the single OR allele that is transcribed in a sensory neuron. In transgenic mice bearing additional H elements, sensory neurons that express OR pseudogenes also express a second functional receptor. These data suggest a model of receptor choice in which a single trans-acting enhancer element may allow the stochastic activation of only one OR allele in an olfactory sensory neuron.

We have developed a genetic approach to examine the role of spontaneous activity and synaptic release in the establishment and maintenance of an olfactory sensory map. Conditional expression of tetanus toxin light chain, a molecule that inhibits synaptic release, does not perturb targeting during development, but neurons that express this molecule in a competitive environment fail to maintain appropriate synaptic connections and disappear. Overexpression of the inward rectifying potassium channel, Kir2.1, diminishes the excitability of sensory neurons and more severely disrupts the formation of an olfactory map. These studies suggest that spontaneous neural activity is required for the establishment and maintenance of the precise connectivity inherent in an olfactory sensory map.

Receptor-type protein tyrosine phosphatase beta (RPTP beta) is expressed in the developing nervous system and contains a carbonic anhydrase (CAH) domain as well as a fibronectin type III repeat in its extracellular domain. Fusion proteins containing these domains were used to search for ligands of RPTP beta. The CAH domain bound specifically to a 140 kDa protein expressed on the surface of neuronal cells. Expression cloning in COS7 cells revealed that this protein is contactin, a GPI membrane-anchored neuronal cell recognition molecule. The CAH domain of RPTP beta induced cell adhesion and neurite growth of primary tectal neurons, and differentiation of neuroblastoma cells. These responses were blocked by antibodies against contactin, demonstrating that contactin is a neuronal receptor for RPTP beta. These experiments show that an individual domain of RPTP beta acts as a functional ligand for the neuronal receptor contactin. The interaction between contactin and RPTP beta may generate unidirectional or bidirectional signals during neural development.

Abstract Expression of one out of >1000 olfactory receptor (OR) genes is stochastic but, yet, spatially organized in stereotypic anatomical segments, or “zones”, along the dorsoventral axis of the mouse olfactory epithelium. We discovered that zonal OR expression is specified by OR chromatin structure and genome architecture during olfactory neuron differentiation. Specifically, across every zone dorsally expressed ORs have higher levels of heterochromatic marks and long-range contacts than ORs expressed ventrally. However, OR heterochromatin levels and frequency of genomic contacts between ORs gradually increase towards ventral zones. Consequently, ORs from dorsal indexes accumulate high H3K9me3/H3K79me3 enrichment and become silenced in ventral zones, while ORs from ventral indexes lack activating long-range genomic interactions and, thus, cannot be chosen in dorsal segments. This process is regulated by NFIA, B, and X gradients along the dorsoventral axis, triple deletion of which causes homeotic transformations on zonal OR expression, heterochromatin formation, and genomic compartmentalization.

SUMMARY Sweet and bitter compounds excite different sensory cells and drive opposing behaviors. It is commonly thought that the neural circuits linking taste sensation to behavior conform to a labeled-line architecture, but in Drosophila , evidence for labeled lines beyond first-order neurons is lacking. To address this, we devised trans- Tango(activity), a strategy for calcium imaging of second-order gustatory projection neurons based on trans -Tango, a genetic transsynaptic tracing technique. We found distinct projection neuron populations that respond to sweet and bitter tastants. However, the bitter-responsive population was also activated by water alone. We further discovered that bitter tastants evoke activity upon both stimulus onset and offset. Bitter offset responses are exhibited by both first- and second-order gustatory neurons, but these responses are distributed among multiple types of projection neurons in the second order. These findings suggest a more complex coding scheme for gustatory information than can be explained by a labeled line model.

Abstract The Mushroom Body (MB) is a well-characterized associative memory structure within the Drosophila brain. Although previous studies have analyzed MB connectivity and provided a map of inputs and outputs, a detailed map of the downstream targets is missing. Using the genetic anterograde transsynaptic tracing tool, trans- Tango, we identified divergent projections across the brain and convergent downstream targets of the MB output neurons (MBONs). Our analysis revealed at least three separate targets that receive convergent input from MBONs: other MBONs, the fan shaped body (FSB), and the lateral accessory lobe (LAL). We describe, both anatomically and functionally, a multilayer circuit in which inhibitory and excitatory MBONs converge on the same genetic subset of FSB and LAL neurons. This circuit architecture provides an opportunity for the brain to update information and integrate it with previous experience before executing appropriate behavioral responses. Highlights -The postsynaptic connections of the output neurons of the mushroom body, a structure that integrates environmental cues with associated valence, are mapped using trans -Tango. -Mushroom body circuits are highly interconnected with several points of convergence among mushroom body output neurons (MBONs). -The postsynaptic partners of MBONs have divergent projections across the brain and convergent projections to select target neuropils outside the mushroom body important for multimodal integration. -Functional connectivity suggests the presence of multisynaptic pathways that have several layers of integration prior to initiation of an output response.

Summary Olfactory sensory neurons (OSNs) are functionally defined by their expression of a unique odorant receptor (OR). Mechanisms underlying singular OR expression are well studied, and involve a massive cross-chromosomal enhancer interaction network. Trace amine-associated receptors (TAARs) form a distinct family of olfactory receptors, and here we find that mechanisms regulating Taar gene choice display many unique features. The epigenetic signature of Taar genes in TAAR OSNs is different from that in OR OSNs. We further identify that two TAAR enhancers conserved across placental mammals are absolutely required for expression of the entire Taar gene repertoire. Deletion of either enhancer dramatically decreases the expression probabilities of different Taar genes, while deletion of both enhancers completely eliminates the TAAR OSN populations. In addition, both of the enhancers are sufficient to drive transgene expression in the partially overlapped TAAR OSNs. We also show that the TAAR enhancers operate in cis to regulate Taar gene expression. Our findings reveal a coordinated control of Taar gene choice in OSNs by two remote enhancers, and provide an excellent model to study molecular mechanisms underlying formation of an olfactory subsystem.

Abstract Deciphering the connectome, the ensemble of synaptic connections that underlie brain function, is a central goal of neuroscience research. Here, we report mapping of connections between presynaptic and postsynaptic partners in a living vertebrate nervous system, that of the zebrafish, through the successful adaptation of the trans -Tango genetic approach, first developed for anterograde transsynaptic tracing in Drosophila . Neural connections were visualized between synaptic partners in the larval retina and brain and followed over development. Results were corroborated by functional experiments in which optogenetic activation of retinal ganglion cells elicited responses in neurons of the optic tectum, as measured by trans -Tango-dependent expression of a genetically encoded calcium indicator. Transsynaptic signaling through trans -Tango reveals predicted as well as previously undescribed synaptic connections in the zebrafish brain, providing a valuable in vivo tool to monitor and interrogate neural circuits over time.

Abstract Transsynaptic tracing methods are crucial tools in studying neural circuits. Although a couple of anterograde tracing methods and a targeted retrograde tool have been developed in Drosophila melanogaster , there is still need for an unbiased, user-friendly, and flexible retrograde tracing system. Here we describe retro -Tango, a method for transsynaptic, retrograde circuit tracing and manipulation in Drosophila . In this genetically encoded system, a ligand-receptor interaction at the synapse triggers an intracellular signaling cascade that results in reporter gene expression in presynaptic neurons. Importantly, panneuronal expression of the elements of the cascade renders this method versatile, enabling its use not only to test hypotheses but also to generate them. We validate retro -Tango in various circuits and benchmark it by comparing our findings with the electron microscopy reconstruction of the Drosophila hemibrain. Our experiments establish retro -Tango as a key method for circuit tracing in neuroscience research.