Abstract Recent advances in insect genetic engineering offer alternative genetic biocontrol solutions to control populations of pests and disease vectors. While success has been achieved, sex-sorting remains problematic for scaling many genetic biocontrol interventions. Here we describe the development of a sex-sorting technique for female and male selection with a proof-of-concept in D. melanogaster termed SEPARATOR ( S exing E lement P roduced by A lternative R NA-splicing of A T ransgenic O bservable R eporter). This approach utilizes dominant fluorescent proteins and differentially spliced introns to ensure sex-specific expression. The system has the potential for adaptability to various insect species and application for high-throughput insect sex-sorting.

Abstract A finely tuned balance between excitation and inhibition (E/I) is essential for proper brain function. Disruptions in the GABAergic system, which alter this equilibrium, are a common feature in various types of neurological disorders, including Autism Spectrum Disorders (ASDs). Mutations in PTEN, the main negative regulator of the PI3K/Akt pathway, are strongly associated with ASD. However, it is unclear whether PTEN deficiencies can differentially affect inhibitory and excitatory signaling. Using the C. elegans neuromuscular system, where both excitatory (cholinergic) and inhibitory (GABAergic) inputs regulate muscle activity, we found that daf-18 / PTEN mutations specifically impact GABAergic (but not cholinergic) neurodevelopment and function. This selective impact results in a deficiency in inhibitory signaling. The specific defects observed in the GABAergic system in daf-18/PTEN mutants are due to reduced activity of DAF-16/FOXO during development. Ketogenic diets (KGDs) have proven effective for disorders associated with E/I imbalances. However, the mechanisms underlying their action remain largely elusive. We found that a diet enriched with the ketone body β-hydroxybutyrate during early development induces DAF-16/FOXO activity, therefore improving GABAergic neurodevelopment and function in daf-18/PTEN mutants. Our study provides valuable insights into the link between PTEN mutations and neurodevelopmental defects and delves into the mechanisms underlying the potential therapeutic effects of KGDs. Highlights * daf-18/PTEN deficiency in C. elegans results in a specific impairment of inhibitory GABAergic signaling, while the excitatory cholinergic signaling remains unaffected. *The dysfunction of GABAergic neurons in these mutants arises from the inactivity of the transcription factor DAF-16/FOXO during their development, resulting in conspicuous morphological and functional alterations. *A diet enriched with the ketone body β-hydroxybutyrate, which induces DAF-16/FOXO activity, mitigates the functional and morphological defects in the development of GABAergic neurons *β-hydroxybutyrate supplementation during the early stages of development is both necessary and sufficient to achieve these rescuing effects on GABAergic signaling in daf-18/PTEN mutants. Graphical Abstract

ABSTRACT The DAF-2/insulin/insulin-like growth factor signaling (IIS) pathway plays an evolutionarily conserved role in regulating reproductive development, lifespan, and stress resistance. In C. elegans , DAF-2/IIS signaling is modulated by an extensive array of insulin-like peptides (ILPs) with diverse spatial and temporal expression patterns. However, the release dynamics and specific functions of these ILPs in adapting to different environmental conditions remain poorly understood. Here, we show that the ILP, INS-3, plays a crucial role in modulating the response to different types of stressors in C. elegans . ins-3 mutants display increased resistance to both heat and oxidative stress; however, under favorable conditions, this advantage is countered by slower reproductive development. ins-3 expression in both neurons and the intestine is downregulated in response to environmental stressors. Conversely, the neurohormone tyramine, which is released during the acute flight response, triggers an upregulation in ins-3 expression. Moreover, we found that tyramine negatively impacts environmental stress resistance by stimulating the release of INS-3 from the intestine. The subsequent release of INS-3 systemically activates the DAF-2 pathway, resulting in the inhibition of cytoprotective mechanisms mediated by DAF-16/FOXO and HSF-1. These studies offer mechanistic insights into the brain-gut communication pathway that weighs adaptive strategies to respond to acute and long-term stress scenarios.

Biogenic amine neurotransmitters play a central role in metazoan nervous systems, and both their chemical structures and cognate receptors are evolutionarily highly conserved. In the nematode C. elegans, four classical neurotransmitters - serotonin, dopamine, octopamine, and tyramine - have been detected and appear to serve signaling functions related to those in insects or vertebrates (1). Interestingly, one of the small molecule pheromones released by C. elegans incorporates the monoamine octopamine. Octopamine succinylated ascaroside #9 (osas#9) is biochemically derived by connecting the neurotransmitter octopamine to an ascaroside - a universal building block of pheromones in C. elegans (2, 3). Neuronal ablation, cell-specific genetic rescue, and calcium imaging show that tyra-2, a gene coding for a G protein-coupled receptor (GPCR), expression in the nociceptive neuron ASH is both necessary and sufficient to induce avoidance of osas#9. In contrast, expression of tyra-2 in AWA, a neuron pair primarily involved in attraction, reverses the behavioral response to osas#9. These results show that TYRA-2 serves as a receptor for the neurotransmitter-derived osas#9, and thus may function in both internal signaling and sensation of external signals. The TYRA-2/osas#9 signaling system thus provides an example for the evolution of an inter-organismal communication channel via co-option of a small-molecule signal and its cognate receptor.

Persistent activation of the fight-or-flight response accelerates aging and increases the susceptibility to disease. We show that repeated induction of the C. elegans flight response inhibits conserved cytoprotective mechanisms. This acute-stress response activates neurons that release tyramine, the invertebrate analog of adrenaline/noradrenaline. Tyramine stimulates the DAF-2/Insulin/IGF-1 pathway and precludes the nuclear translocation of the DAF-16/FOXO transcription factor through the activation of an adrenergic-like receptor TYRA-3 in the intestine. In contrast, environmental long-term stressors, such as heat or oxidative stress, reduce tyramine release allowing the induction of FOXO-dependent cytoprotective genes. These findings demonstrate how a neural stress-hormone signaling provides a state-dependent neural switch between acute and long-term stress responses, and provide mechanistic insights how acute stress impairs cellular defensive systems.

Mutations in pre-synaptic voltage gated calcium channels can lead to familial hemiplegic migraine type 1 (FHM1). While mammalian studies indicate that the migraine brain is hyperexcitable due to enhanced excitation or reduced inhibition, the molecular and cellular mechanisms underlying this excitatory/inhibitory (E/I) imbalance are poorly understood. We identified a gain-of-function (gf) mutation in the Caenorhabditis elegans CaV2 channel α1 subunit, UNC-2, which leads to increased calcium currents. unc-2(gf) mutants exhibit hyperactivity and seizure-like motor behaviors. Expression of the unc-2 gene with FHM1 substitutions R192Q and S218L leads to hyperactivity similar to that of unc-2(gf) mutants unc-2(gf) mutants display increased cholinergic- and decreased GABAergic-transmission. Moreover, we reveal that and increased cholinergic transmission in unc-2(gf) mutants leads to reduction of GABA synapses in a TAX-6/calcineurin dependent manner. Our studies provide mechanistic insight into how CaV2 gain-of-function mutations disrupt excitation-inhibition balance in the nervous system.