Metamorphosis Receptor Identified One of the challenges facing many multicellular organisms is when to change from the juvenile stage to the reproductively mature adult. In insects, this metamorphosis is activated by the brain-derived neuropeptide, prothoracicotropic hormone (PTTH), when larvae reach a characteristic weight. Almost a century after this brain hormone was discovered, Rewitz et al. (p. 1403 ) have identified the PTTH receptor and its signaling cascade. The PTTH receptor is Torso (a receptor tyrosine kinase that signals through Ras/Raf/Erk), which patterns the embryonic termini during early development in response to the distantly related PTTH factor, Trunk.

ABSTRACT The regulation of systemic energy balance involves the coordinated activity of specialized organs, which control nutrient uptake, utilization and storage to promote metabolic homeostasis during environmental challenges. The humoral signals that drive such homeostatic programs are largely unidentified. Here we show that three pairs of central neurons in adult Drosophila respond to internal water and nutrient availability by releasing Capa-1 and -2 hormones that signal through the Capa receptor (CapaR) to exert systemic metabolic control. Loss of Capa/CapaR signaling leads to intestinal hypomotility and impaired nutrient absorption, which gradually deplete internal nutrient stores and reduce organismal lifespan. Conversely, hyperactivation of the Capa circuitry stimulates fluid and waste excretion. Furthermore, we demonstrate that Capa/CapaR regulates energy metabolism by modulating the release of the glucagon-like adipokinetic hormone, which governs lipolysis in adipose tissue to stabilize circulating energy levels. Altogether, our results uncover a novel inter-tissue program that plays a central role in coordinating post-prandial responses that are essential to maintain adult viability.

Abstract The intestine is a central regulator of metabolic homeostasis. Dietary inputs are absorbed through the gut, which senses their nutritional value and relays hormonal information to other organs to coordinate systemic energy balance. However, the specific gut hormones that communicate energy availability to target organs to induce appropriate metabolic and behavioral responses are poorly defined. Here we show that the enteroendocrine cells (EECs) of the Drosophila gut sense nutrient stress via the intracellular TOR pathway, and in response secrete the peptide hormone allatostatin C (AstC). Gut-derived AstC induces secretion of glucagon-like adipokinetic hormone (AKH) via its receptor AstC-R2, a homolog of mammalian somatostatin receptors, to coordinate food intake and energy mobilization. Loss of gut AstC or its receptor in the AKH-producing cells impairs lipid and sugar mobilization during fasting, leading to hypoglycemia. Our findings illustrate a nutrient-responsive endocrine mechanism that maintains energy homeostasis under nutrient-stress conditions, a function that is essential to health and whose failure can lead to metabolic disorders.

Abstract Behavior and physiology are orchestrated by neuropeptides acting as neuromodulators and/or circulating hormones. A central question is how these neuropeptides function to coordinate complex and competing behaviors. The neuropeptide leucokinin (LK) modulates diverse functions, including circadian rhythms, feeding, water homeostasis, and sleep, but the mechanisms underlying these complex interactions remain poorly understood. Here, we delineate the LK circuitry that governs homeostatic functions that are critical for survival. We found that impaired LK signaling affects diverse but coordinated processes, including regulation of stress, water homeostasis, locomotor activity, and metabolic rate. There are three different sets of LK neurons, which contribute to different aspects of this physiology. We show that the calcium activity of abdominal ganglia LK neurons (ABLKs) increases specifically following water consumption, but not under other conditions, suggesting that these neurons regulate water homeostasis and its associated physiology. To identify targets of LK peptide, we mapped the distribution of the LK receptor ( Lkr ), mined brain single-cell transcriptome dataset for genes coexpressed with Lkr , and utilized trans-synaptic labeling to identify synaptic partners of LK neurons. Lkr expression in the brain insulin-producing cells (IPCs), gut, renal tubules and sensory cells, and the post-synaptic signal in sensory neurons, correlates well with regulatory roles detected in the Lk and Lkr mutants. Furthermore, these mutants and flies with targeted knockdown of Lkr in IPCs displayed altered expression of insulin-like peptides (DILPs) in IPCs and modulated stress responses. Thus, some effects of LK signaling appear to occur via DILP action. Collectively, our data suggest that the three sets of LK neurons orchestrate the establishment of post-prandial homeostasis by regulating distinct physiological processes and behaviors such as diuresis, metabolism, organismal activity and insulin signaling. These findings provide a platform for investigating neuroendocrine regulation of behavior and brain-to-periphery communication.

ABSTRACT Nutrition is one of the most important influences on growth and the timing of developmental maturation transitions including mammalian puberty and insect metamorphosis. Childhood obesity is associated with precocious puberty, but the assessment mechanism that links body fat to early maturation is unknown. During development, intake of nutrients promotes signaling through insulin-like systems that govern the growth of cells and tissues and also regulates the timely production of the steroid hormones that initiate the juvenile-adult transition. We show here that the dietary lipid cholesterol, required as a component of cell membranes and as a substrate for steroid biosynthesis, also governs body growth and maturation in Drosophila via promoting the expression and release of insulin-like peptides. This nutritional input acts via the Niemann-Pick-type-C (Npc) cholesterol sensors/transporters in the glia of the blood-brain barrier and cells of the adipose tissue to remotely drive systemic insulin signaling and body growth. Furthermore, increasing intracellular cholesterol levels in the steroid-producing prothoracic gland strongly promotes endoreduplication, leading to accelerated attainment of a nutritional checkpoint that ensures that animals do not initiate maturation prematurely. These findings couple sensing of the lipid cholesterol to growth control and maturational timing, which may help explain both the link between cholesterol and cancer as well as the critical connection between body fat (obesity) and early puberty. HIGHLIGHTS Dietary cholesterol promotes developmental growth and leads to early maturation Insulin signaling couples cholesterol intake with systemic growth Cholesterol promotes insulin signaling and growth via glial and fat-tissue relays Cholesterol sensing affects a nutritional checkpoint that prevents early maturation GRAPHICAL ABSTRACT

Abstract Obesity leads to impaired insulin signaling and tissue sensitivity, which drive the onset of type 2 diabetes. Insulin resistance leads to a reduction in cellular glucose uptake, resulting in elevated blood glucose levels, which consequently cause β-cell dysfunction and development of diabetes. Although improving insulin signaling is a key target for restoring whole-body glucose homeostasis and reversing diabetes, the multi-organ mechanisms that regulate insulin signaling and tissue sensitivity are poorly defined. We screened the secretome and receptome in Drosophila to identify the underlying interorgan hormonal crosstalk affecting diet-induced insulin resistance and obesity. We identified complex interplay between muscle, neuronal, and fat tissues, mediated by the conserved BMP and LGR signaling pathways, which augments insulin signaling and improves dietary sugar tolerance. We found that muscle-derived BMP signaling is induced by sugar and governs neuronal Bursicon signaling. Acting through its LGR-family receptor, Bursicon both enhances insulin secretion and improves insulin sensitivity in adipose tissue, thereby preventing sugar-induced hyperglycemia. Inhibition of Bursicon-LGR signaling in adipose tissue exacerbates sugar-induced insulin resistance, and we discovered that this condition could be alleviated by suppressing NF-κB signaling. Our findings identify a muscle-neuronal-fat tissue axis that drives metabolic adaptation to high-sugar conditions by modulating insulin secretion and adipocyte insulin sensitivity, highlighting mechanisms that may be exploited for the development of strategies for the treatment and reversal of insulin resistance.

Organisms adapt their metabolism and growth to the availability of nutrients and oxygen, which are essential for normal development. This requires the ability to sense these environmental factors and respond by regulation of growth-controlling signals, yet the mechanisms by which this adaptation occurs are not fully understood. To identify novel growth-regulatory mechanisms, we conducted a global RNAi-based screen in Drosophila for size differences and identified 89 positive and negative regulators of growth. Among the strongest hits was the FGFR homologue breathless necessary for proper development of the tracheal airway system. Breathless deficiency results in tissue hypoxia (low oxygen), sensed primarily in this context by the fat tissue. The fat, in response, relays this information through release of one or more humoral factors that remotely inhibit insulin secretion from the brain, thereby restricting systemic growth. Thus our findings show that the fat tissue acts as an oxygen sensor that allows the organism to reduce its growth in adaptation to limited oxygen conditions.

The human 1q21.1 deletion of ten genes is associated with increased risk schizophrenia. The deletion involves the ?-subunit of the AMP-activated protein kinase (AMPK) complex, a key energy sensor in the cell. Although neurons have a high demand for energy and low capacity to store nutrients, the role of AMPK in neuronal physiology is poorly defined. Here we show that AMPK is important in the nervous system for maintaining neuronal integrity and for stress survival and longevity in Drosophila. To understand its impact on behavior and potential contribution to the 1q21.1 deletion syndrome, we focused on sleep, as its main role is proposed to be to reestablish neuronal energy levels that are diminished during energy-demanding wakefulness. Sleep disturbances are one of the most common problems affecting individuals with psychiatric disorders. We show that AMPK is required to maintain proper sleep architecture and for sleep recovery following sleep deprivation. Neuronal AMPK? loss specifically leads to sleep fragmentation and causes dysregulation of genes believed to play a role in sleep homeostasis. Our data also suggest that AMPK? loss may contribute to the increased risk of developing mental disorders and sleep disturbances associated with the human 1q21.1 deletion. Sleep is regulated by circadian and homeostatic processes. While the circadian clock is well studied, the molecular mechanism underlying homeostasis remains largely unknown. Our data suggest that AMPK is required for sleep maintenance and may be involved in the homeostatic process of sleep regulation.

Sickness-induced sleep is a behavior conserved across species that promotes recovery from illness, yet the underlying mechanisms are poorly understood. Here, we show that interleukin-6-like cytokine signaling from the Drosophila gut to brain glial cells regulates sleep. Under healthy conditions, this pathway promotes wakefulness. However, elevated gut cytokine signaling in response to oxidative stress - triggered by immune and inflammatory responses in the intestine - induces sleep. The cytokines Unpaired 2 and -3 are upregulated by oxidative stress in enteroendocrine cells and activate JAK-STAT signaling in glial cells, including those of the blood-brain barrier (BBB). This activity maintains elevated sleep during oxidative-stress-induced intestinal disturbances, suggesting that the JAK-STAT pathway in glia inhibits wake-promoting signaling to facilitate sleep-dependent restoration under these conditions. We find that the enteric peptide Allatostatin A (AstA) enhances wakefulness, and during intestinal oxidative stress, gut-derived Unpaired 2/3 inhibits AstA receptor expression in BBB glia, thereby sustaining an elevated sleep state during gut inflammation or illness. Taken together, our work identifies a gut-to-glial communication pathway that couples sleep with intestinal homeostasis and disease, enhancing sleep during intestinal sickness, and contributes to our understanding of how sleep disturbances arise from gastrointestinal disturbances.

The human 22q11.2 chromosomal deletion is one of the strongest identified genetic risk factors for schizophrenia. Although the deletion spans a number of genes, the contribution of each of these to the 22q11.2 deletion syndrome (DS) is not known. To investigate the effect of individual genes within this interval on the pathophysiology associated with the deletion, we analyzed their role in sleep, a behavior affected in virtually all psychiatric disorders, including the 22q11.2 DS. We identified the gene LZTR1 ( night owl, nowl ) as a regulator of sleep in Drosophila . Neuronal loss of nowl causes short and fragmented sleep, especially during the night. In humans, LZTR1 has been associated with Ras-dependent neurological diseases also caused by Neurofibromin-1 ( Nf1 ) deficiency. We show that Nf1 loss leads to a night-time sleep phenotype nearly identical to that of nowl loss, and that nowl negatively regulates Ras and interacts with Nf1 in sleep regulation. We also show that nowl is required for metabolic homeostasis, suggesting that LZTR1 may contribute to the genetic susceptibility to obesity associated with the 22q11.2 DS. Furthermore, knockdown of nowl or Nf1 in GABA-responsive sleep-promoting neurons elicits the sleep-fragmentation phenotype, and this defect can be rescued by increased GABAA receptor signaling, indicating that Nowl promotes sleep by decreasing the excitability of GABA-responsive wake-driving neurons. Our results suggest that nowl / LZTR1 may be a conserved regulator of GABA signaling and sleep that contributes to the 22q11.2 DS.