SUMMARY Neuromodulators promote adaptive behaviors that are often complex and involve concerted activity changes across circuits that are often not physically connected. It is not well understood how neuromodulatory systems accomplish these tasks. Here we show that the C. elegans NLP-12 neuropeptide system shapes responses to food availability by modulating the activity of head and body wall motor neurons through alternate G-protein coupled receptor (GPCR) targets, CKR-1 and CKR-2. We show ckr-2 deletion reduces body bend depth during movement under basal conditions. We demonstrate CKR-1 is a functional NLP-12 receptor and define its expression in the nervous system. In contrast to basal locomotion, biased CKR-1 GPCR stimulation of head motor neurons promotes turning during local searching. Deletion of ckr-1 reduces head neuron activity and diminishes turning while specific ckr-1 overexpression or head neuron activation promote turning. Thus, our studies suggest locomotor responses to changing food availability are regulated through conditional NLP-12 stimulation of head or body wall motor circuits. Impact statement Investigation of neuromodulatory control of ethologically conserved area-restricted food search behavior shows that NLP-12 stimulation of the head motor circuit promotes food searching through the previously uncharacterized CKR-1 GPCR.

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.

Abstract Modulation of neurotransmission is key for organismal responses to varying physiological contexts such as during infection, injury, or other stresses, as well as in learning and memory and for sensory adaptation. Roles for cell autonomous neuromodulatory mechanisms in these processes have been well described. The importance of cell non-autonomous pathways for inter-tissue signaling, such as gut-to-brain or glia-to-neuron, has emerged more recently, but the cellular mechanisms mediating such regulation remain comparatively unexplored. Glycoproteins and their G protein-coupled receptors (GPCRs) are well-established orchestrators of multi-tissue signaling events that govern diverse physiological processes through both cell-autonomous and cell non-autonomous regulation. Here, we show that follicle stimulating hormone receptor, FSHR-1, the sole Caenorhabditis elegans ortholog of mammalian glycoprotein hormone GPCRs, is important for cell non-autonomous modulation of synaptic transmission. Inhibition of fshr-1 expression reduces muscle contraction and leads to synaptic vesicle accumulation in cholinergic motor neurons. The neuromuscular and locomotor defects in fshr-1 loss-of-function mutants are associated with an underlying accumulation of synaptic vesicles, build-up of the synaptic vesicle priming factor UNC-10/RIM, and decreased synaptic vesicle release from cholinergic motor neurons. Restoration of FSHR-1 to the intestine is sufficient to restore neuromuscular activity and synaptic vesicle localization to fshr-1- deficient animals. Intestine-specific knockdown of FSHR-1 reduces neuromuscular function, indicating FSHR-1 is both necessary and sufficient in the intestine for its neuromuscular effects. Re-expression of FSHR-1 in other sites of endogenous expression, including glial cells and neurons, also restored some neuromuscular deficits, indicating potential cross-tissue regulation from these tissues as well. Genetic interaction studies provide evidence that downstream effectors gsa-1 / Gα S , acy-1 /adenylyl cyclase and sphk-1/ sphingosine kinase and glycoprotein hormone subunit orthologs, GPLA-1/GPA2 and GPLB-1/GPB5, are important for FSHR-1 modulation of the NMJ. Together, our results demonstrate that FSHR-1 modulation directs inter-tissue signaling systems, which promote synaptic vesicle release at neuromuscular synapses.

Abstract An important step in brain development is the remodeling of juvenile neural circuits to establish mature connectivity. The elimination of juvenile synapses is a critical step in this process; however, the molecular mechanisms directing synapse elimination activities and their timing are not fully understood. We identify here a conserved transcriptional regulator, DVE-1, that shares homology with mammalian special AT-rich sequence-binding (SATB) family members and directs the elimination of juvenile synaptic inputs onto remodeling C. elegans GABAergic neurons. Dorsally localized juvenile acetylcholine receptor clusters and apposing presynaptic sites are eliminated during maturation of wild type GABAergic neurons but persist into adulthood in dve-1 mutants. The persistence of juvenile synapses in dve-1 mutants does not impede synaptic growth during GABAergic remodeling and therefore produces heightened motor connectivity and a turning bias during movement. DVE-1 is localized to GABAergic nuclei prior to and during remodeling and DVE-1 nuclear localization is required for synapse elimination to proceed, consistent with DVE-1’s function as a transcriptional regulator. Pathway analysis of DVE-1 targets and proteasome inhibitor experiments implicate transcriptional control of the ubiquitin-proteasome system in synapse elimination. Together, our findings demonstrate a new role for a SATB family member in the control of synapse elimination during circuit remodeling through transcriptional regulation of ubiquitin-proteasome signaling. Contributions Summary KDA generated strains, transgenic lines, molecular constructs, confocal microscopy images and analysis, performed optogenetic behavioral experiments, photoconversion experiments, modencode ChIP-seq analysis and pathway analysis. SR performed all calcium imaging experiments/analysis and conducted single worm tracking. KB performed all Bortezomib inhibitor experiments and analysis. CL generated most vectors and constructs. JR assisted with generation of CRISPR/Cas9 generated strains. WA and MR assisted with aldicarb behavioral assay. DO assisted with EMS screen and isolation of dve-1 mutant. CB and MD aided in CloudMap bioinformatic analysis of the uf171 mutant. MMF and KDA designed and interpreted results of all experiments and wrote the manuscript.

Abstract The functional properties of neural circuits are defined by the patterns of synaptic connections between their partnering neurons, but the mechanisms that stabilize circuit connectivity are poorly understood. We systemically examined this question at synapses onto newly characterized dendritic spines of C. elegans GABAergic motor neurons. We show that the presynaptic adhesion protein, neurexin/NRX-1, is required for stabilization of postsynaptic structure. We find that early postsynaptic developmental events proceed without a strict requirement for synaptic activity and are not disrupted by deletion of neurexin/ nrx-1 . However, in the absence of presynaptic NRX-1, dendritic spines and receptor clusters become destabilized and collapse prior to adulthood. We demonstrate that kinesin-3/UNC-104 delivers NRX-1 to presynaptic terminals and show that ongoing delivery is required for postsynaptic maintenance in mature animals. By defining the dynamics and temporal order of synapse formation events in vivo , we describe a mechanism for stabilizing mature circuit connectivity through neurexin-based adhesion.