Summary Although recent studies indicate the impact of microbes on the central nervous systems and behavior, it remains unclear how the relationship between the functionality of the nervous system, behavior and the microbiota arise. We studied the eating behavior of Hydra, a host that has a simple nervous system and a low-complexity microbiota. To identify the neuronal subpopulations involved, we used a subpopulation specific cell ablation system and calcium imaging. The role of the microbiota was uncovered by reducing the diversity of the natural microbiota. Here, we demonstrate that different neuronal subpopulations are functioning together to control the eating behavior. The microbiota participates in control of the eating behavior since germ-free or mono-colonized animals have drastic difficulties in mouth opening. This was restored by adding a full complement of the microbiota. In summary, we provide a mechanistic explanation of how the eating behavior is controlled in Hydra and how microbes can affect the neuronal circuit. Highlights - Multiple neuronal modules and their networks control complex behavior in an animal lacking a central nervous system. - Its associated microbes participate in these neuronal circuits and influence the eating behavior. - Disorganization of the microbiota negatively impacts this eating behavior. - Glutamate participates in an evolutionary ancient interkingdom language.

Abstract Background: Mechanisms of programmed cell death differ considerably between animals, plants and fungi. In animals they depend on caspases and Bcl-2 family proteins and this kind of cell death is called apoptosis. Most gene families encoding proteins involved in apoptosis are found in multicellular animals already in the eldest phyla but their functional conservation is still being studied. Much older protein families have cytoprotective functions across all kingdoms of life. This includes the TMBIMP-family, the presence and function of which in early metazoans has not been investigated yet. Methods: We quantified apoptosis in transgenic Hydra overexpressing HyBcl-2-like 4. Moreover, we investigated putative TMBIMP-family members in Hydra by sequence comparison. By overexpression of TMBIMP-family members in Hydra and human HEK cells we analysed their subcellular localisation and in one case their capacity to protect cells from camptothecin induced apoptosis. Results: HyBcl-2-like 4, as previously shown in a heterologous system, was localised to mitochondria and able to protect Hydra epithelial cells from apoptosis. The TMBIMP-family in Hydra includes HyBax-Inhibitor-1, HyLifeguard-1a and -1b and HyLifeguard 4 proteins. HyBax-inhibitor-1 protein was found localised to ER-membranes, HyLifeguard-family members were found at the plasma membrane and in Golgi-vesicles. Moreover, HyBax-inhibitor-1 protected human cells from apoptosis. Conclusion: This work provides the first functional study to support an anti-apoptotic function of Bcl-2 like proteins in pre-bilaterians within a physiological context. Furthermore it illustrates that genes that were inherited from non-animal ancestors, like the TMBIMP-family, were recruited to carry out cell protective anti-apoptotic functions already in early metazoans.

Abstract The Notch-signalling pathway plays an important role in pattern formation in Hydra . Using pharmacological Notch inhibitors (DAPT and SAHM1), it has been demonstrated that HvNotch is required for head regeneration and tentacle patterning in Hydra . HvNotch is also involved in establishing the parent-bud boundary and instructing buds to develop feet and detach from the parent. To further investigate the functions of HvNotch, we successfully constructed NICD (HvNotch intracellular domain)-overexpressing and HvNotch-knockdown transgenic Hydra strains. NICD-overexpressing transgenic Hydra showed a pronounced inhibition on the expression of predicted HvNotch-target genes, suggesting a dominant negative effect of ectopic NICD. This resulted in a “Y-shaped” phenotype, which arises from the parent-bud boundary defect seen in polyps treated with DAPT. Additionally, “multiple heads”, “two-headed” and “ectopic tentacles” phenotypes were observed. The HvNotch-knockdown transgenic Hydra with reduced expression of HvNotch exhibited similar, but not identical phenotypes, with the addition of a “two feet” phenotype. Furthermore, approximately 20% of the HvNotch-knockdown polyps were unable to regenerate a new head after decapitation. We integrated these findings into a mathematical model based on long-range gradients of signalling molecules underlying sharply defined positions of HvNotch-signalling cells at the Hydra tentacle and bud boundaries.