The definition of neuronal type and how it relates to the transcriptome are open questions. Drosophila olfactory projection neurons (PNs) are among the best-characterized neuronal types: different PN classes target dendrites to distinct olfactory glomeruli, while PNs of the same class exhibit indistinguishable anatomical and physiological properties. Using single-cell RNA sequencing, we comprehensively characterized the transcriptomes of most PN classes and unequivocally mapped transcriptomes to specific olfactory function for six classes. Transcriptomes of closely related PN classes exhibit the largest differences during circuit assembly but become indistinguishable in adults, suggesting that neuronal subtype diversity peaks during development. Transcription factors and cell-surface molecules are the most differentially expressed genes between classes and are highly informative in encoding cell identity, enabling us to identify a new lineage-specific transcription factor that instructs PN dendrite targeting. These findings establish that neuronal transcriptomic identity corresponds with anatomical and physiological identity defined by connectivity and function.

Abstract Recognition of environmental cues is essential for the survival of all organisms. Precise transcriptional changes occur to enable the generation and function of the neural circuits underlying sensory perception. To gain insight into these changes, we generated single-cell transcriptomes of Drosophila olfactory receptor neurons (ORNs), thermosensory and hygrosensory neurons from the third antennal segment at an early developmental and adult stage. We discovered that ORNs maintain expression of the same olfactory receptors across development. Using these receptors and computational approaches, we matched transcriptomic clusters corresponding to anatomically and physiologically defined neuronal types across multiple developmental stages. Cell-type-specific transcriptomes, in part, reflected axon trajectory choices in early development and sensory modality in adults. Our analysis also uncovered type-specific and broadly expressed genes that could modulate adult sensory responses. Collectively, our data reveal important transcriptomic features of sensory neuron biology and provides a resource for future studies of their development and physiology.

ABSTRACT Neural circuit assembly features simultaneous targeting of numerous neuronal processes from constituent neuron types, yet the dynamics is poorly understood. Here, we use the Drosophila olfactory circuit to investigate dynamic cellular processes by which olfactory receptor neurons (ORNs) target axons precisely to specific glomeruli in the ipsi- and contralateral antennal lobes. Time-lapse imaging of individual axons from 28 ORN types revealed a rich diversity in extension speed, innervation timing, and ipsilateral branch locations, and identified that ipsilateral targeting occurs via stabilization of transient interstitial branches. Fast imaging using adaptive optics- corrected lattice light-sheet microscopy showed that upon approaching target, many ORN types exhibit “exploring branches” consisted of parallel microtubule-based terminal branches emanating from an F-actin-rich hub. Antennal nerve ablations uncovered essential roles for bilateral interactions in contralateral target selection, and for ORN axons to facilitate dendritic refinement of postsynaptic partner neurons. Altogether, these observations provide cellular bases for wiring specificity establishment.

In developing brains, axons exhibit remarkable precision in selecting synaptic partners among many non-partner cells. Evolutionarily conserved teneurins are transmembrane proteins that instruct synaptic partner matching. However, how intracellular signaling pathways execute teneurins' functions is unclear. Here, we use in situ proximity labeling to obtain the intracellular interactome of a teneurin (Ten-m) in the Drosophila brain. Genetic interaction studies using quantitative partner matching assays in both olfactory receptor neurons (ORNs) and projection neurons (PNs) reveal a common pathway: Ten-m binds to and negatively regulates a RhoGAP, thus activating the Rac1 small GTPases to promote synaptic partner matching. Developmental analyses with single-axon resolution identify the cellular mechanism of synaptic partner matching: Ten-m signaling promotes local F-actin levels and stabilizes ORN axon branches that contact partner PN dendrites. Combining spatial proteomics and high-resolution phenotypic analyses, this study advanced our understanding of both cellular and molecular mechanisms of synaptic partner matching.

How a neuronal cell type is defined and how this relates to its transcriptome are still open questions. The Drosophila olfactory projection neurons (PNs) are among the best-characterized neuronal types: Different PN classes target dendrites to distinct olfactory glomeruli and PNs of the same class exhibit indistinguishable anatomical and physiological properties. Using single-cell RNA-sequencing, we comprehensively characterized the transcriptomes of 40 PN classes and unequivocally identified transcriptomes for 6 classes. We found a new lineage-specific transcription factor that instructs PN dendrite targeting. Transcriptomes of closely-related PN classes exhibit the largest difference during circuit assembly, but become indistinguishable in adults, suggesting that neuronal subtype diversity peaks during development. Genes encoding transcription factors and cell-surface molecules are the most differentially expressed, indicating their central roles in specifying neuronal identity. Finally, we show that PNs use highly redundant combinatorial molecular codes to distinguish subtypes, enabling robust specification of cell identity and circuit assembly.

Abstract The distribution of postsynaptic partners in three-dimensional (3D) space presents complex choices for a navigating axon. Here, we discovered a dimensionality reduction principle in establishing the 3D glomerular map in the fly antennal lobe. Olfactory receptor neuron (ORN) axons first contact partner projection neuron (PN) dendrites at the 2D spherical surface of the antennal lobe during development, regardless of whether the adult glomeruli are at the surface or interior of the antennal lobe. Along the antennal lobe surface, axons of each ORN type take a specific 1D arc-shaped trajectory that precisely intersects with their partner PN dendrites. Altering axon trajectories compromises synaptic partner matching. Thus, a 3D search problem is reduced to 1D, which simplifies synaptic partner matching and may generalize to the wiring process of more complex brains.

ABSTRACT How does wiring specificity of neural maps emerge during development? Formation of the adult Drosophila olfactory glomerular map begins with patterning of projection neuron (PN) dendrites at the early pupal stage. To better understand the origin of wiring specificity of this map, we created genetic tools to systematically characterize dendrite patterning across development at PN type–specific resolution. We find that PNs use lineage and birth order combinatorially to build the initial dendritic map. Specifically, birth order directs dendrite targeting in rotating and binary manners for PNs of the anterodorsal and lateral lineages, respectively. Two-photon– and adaptive optical lattice light-sheet microscope–based time-lapse imaging reveals that PN dendrites initiate active targeting with direction-dependent branch stabilization on the timescale of seconds. Moreover, PNs that are used in both the larval and adult olfactory circuits prune their larval-specific dendrites and re-extend new dendrites simultaneously to facilitate timely olfactory map organization. Our work highlights the power and necessity of type-specific neuronal access and time-lapse imaging in identifying wiring mechanisms that underlie complex patterns of functional neural maps.

Abstract Neurons undergo substantial morphological and functional changes during development to form precise synaptic connections and acquire specific physiological features. What are the underlying transcriptomic bases? Here, we obtained the single-cell transcriptomes of Drosophila olfactory projection neurons (PNs) at four developmental stages. We decoded the identity of 21 transcriptomic clusters corresponding to 20 PN types and developed methods to match transcriptomic clusters representing the same PN type across development. We discovered that PN transcriptomes reflect unique biological processes unfolding at each stage—neurite growth and pruning during metamorphosis at an early pupal stage; peaked transcriptomic diversity during olfactory circuit assembly at mid-pupal stages; and neuronal signaling in adults. At early developmental stages, PN types with adjacent birth order share similar transcriptomes. Together, our work reveals principles of cellular diversity during brain development and provides a resource for future studies of neural development in PNs and other neuronal types.

SUMMARY Transcription factors specify the fate and connectivity of developing neurons. We investigate how a lineage-specific transcription factor, Acj6, controls the precise dendrite targeting of Drosophila olfactory projection neurons (PNs) by regulating the expression of cell-surface proteins. Quantitative cell-surface proteomic profiling of wild-type and acj6 mutant PNs in intact developing brains and a proteome-informed genetic screen identified PN surface proteins that execute Acj6-regulated wiring decisions. These include canonical cell adhesion molecules and proteins previously not associated with wiring, such as Piezo, whose mechanosensitive ion channel activity is dispensable for its function in PN dendrite targeting. Comprehensive genetic analyses revealed that Acj6 employs unique sets of cell-surface proteins in different PN types for dendrite targeting. Combinatorial expression of Acj6 wiring executors rescued acj6 mutant phenotypes with higher efficacy and breadth than expression of individual executors. Thus, Acj6 controls wiring specificity of different neuron types by specifying distinct combinatorial expression of cell- surface executors.

SUMMARY In developing brains, axons exhibit remarkable precision in selecting synaptic partners among many non-partner cells. Evolutionally conserved teneurins were the first identified transmembrane proteins that instruct synaptic partner matching. However, how intracellular signaling pathways execute teneurin’s functions is unclear. Here, we use in situ proximity labeling to obtain the intracellular interactome of teneurin (Ten-m) in the Drosophila brain. Genetic interaction studies using quantitative partner matching assays in both olfactory receptor neurons (ORNs) and projection neurons (PNs) reveal a common pathway: Ten-m binds to and negatively regulates a RhoGAP, thus activating the Rac1 small GTPases to promote synaptic partner matching. Developmental analyses with single-axon resolution identify the cellular mechanism of synaptic partner matching: Ten-m signaling promotes local F-actin levels and stabilizes ORN axon branches that contact partner PN dendrites. Combining spatial proteomics and high-resolution phenotypic analyses, this study advanced our understanding of both cellular and molecular mechanisms of synaptic partner matching. HIGHLIGHTS In situ spatial proteomics reveal the first intracellular interactome of teneurins Ten-m signals via a RhoGAP and Rac1 GTPase to regulate synaptic partner matching Single-axon analyses reveal a stabilization-upon-contact model for partner matching Ten-m signaling promotes F-actin in axon branches contacting partner dendrites