Mammalian odorant receptors are a diverse and rapidly evolving set of G protein-coupled receptors expressed in olfactory cilia membranes. Most odorant receptors show little to no cell surface expression in non-olfactory cells due to endoplasmic reticulum retention, which has slowed down biochemical studies. Here, we provide evidence that structural instability and divergence from conserved residues of individual odorant receptors underlie intracellular retention using a combination of large-scale screening of odorant receptors cell surface expression in heterologous cells, point mutations, structural modeling, and machine learning techniques. We demonstrate the importance of conserved residues by synthesizing “consensus” odorant receptors that show high levels of cell surface expression similar to conventional G protein-coupled receptors. Furthermore, we associate in silico structural instability with poor cell surface expression using molecular dynamics simulations. We propose an enhanced evolutionary capacitance of olfactory sensory neurons that enable the functional expression of odorant receptors with cryptic mutations.Significance Statement Odor detection in mammals depends on the largest family of G protein-coupled receptors, the odorant receptors, which represent ∼2% of our protein-coding genes. The vast majority of odorant receptors are trapped within the cell when expressed in non-olfactory cells. The underlying causes of why odorant receptors cannot be functionally expressed in non-olfactory cells have remained enigmatic for over 20 years. Our study points to divergence from a consensus sequence as a key factor in a receptor’s inability to function in non-olfactory cells, which in turn, helps explain odorant receptors’ exceptional functional diversity and rapid evolution. We also show the success of protein engineering strategies for promoting odorant receptor cell surface expression.

The mouse olfactory sensory neuron (OSN) repertoire is composed of 10 million cells and each expresses one olfactory receptor (OR) gene from a pool of over 1000. Thus, the nose is sub-stratified into more than a thousand OSN subtypes. Here, we employ and validate an RNA-sequencing based method to quantify the abundance of all OSN subtypes in parallel, and investigate the genetic and environmental factors that contribute to neuronal diversity. We find that the OSN subtype distribution is stereotyped in genetically identical mice, but varies extensively between different strains. Further, we identify cis-acting genetic variation as the greatest component influencing OSN composition and demonstrate independence from OR function. However, we show that olfactory stimulation with particular odorants results in modulation of dozens of OSN subtypes in a subtle but reproducible, specific and time-dependent manner. Together, these mechanisms generate a highly individualized olfactory sensory system by promoting neuronal diversity.

Summary Periodontal tissue supports teeth in the alveolar bone socket via fibrous attachment of the periodontal ligament (PDL). The PDL contains periodontal fibroblasts and stem/progenitor cells, collectively known as PDL cells (PDLCs), on top of osteoblasts and cementoblasts on the surface of alveolar bone and cementum, respectively. However, the characteristics and lineage hierarchy of each cell type remain poorly defined. This study identified periodontal ligament associated Protein-1 ( Plap-1 / Aspn ) as a PDL-specific extracellular matrix. We generated knock-in mice expressing CreER T2 and GFP specifically in Plap-1 -positive PDLCs. Genetic lineage tracing confirmed the long-standing hypothesis that PDLCs differentiated into osteoblasts and cementoblasts. A PDL single-cell atlas defined cementoblasts and osteoblasts as Plap-1 - Ibsp + Sparcl1 + and Plap-1 - Ibsp + Col11a2 + , respectively. Other populations such as Nes + mural cells, S100B + Schwann cells, and other non-stromal cells were also identified. RNA velocity analysis suggested that Plap-1 high Ly6a + cell population was the source of PDLCs. Lineage tracing of Plap-1 + PDLCs during the periodontal injury model showed periodontal tissue regeneration by PDLCs. Our study defines diverse cell populations in PDL and clarifies the role of PDLCs in periodontal tissue homeostasis and repair.