Summary The ability to sense Earth’s gravitational pull is essential for orientation, navigation, and proprioception in most organisms. We report here that C. elegans dauer larvae and adults exhibit pronounced negative gravitaxis. This behavior is antagonized by light and electromagnetic fields, suggesting that it is integrated with other sensory inputs. We found that the MEC-7 and MEC-12 microtubule components of the mechanosensory transduction system involved in gentle touch sensation are essential for negative gravitaxis. Further, TRPA-1, a channel protein associated with cold and mechanosensation in both mammals and invertebrates, is required for this behavior. However, the MEC-4/10 DEG/ENaC channels and other components that transduce gentle touch sensation are not required, suggesting that the sensory system for detecting and responding to gravity is separable from the touch sensation system. We found that the PVD neurons, which use TRPA-1 to detect harsh cold, but neither their quaternary processes nor the touch receptor neurons (TRNs), are essential for negative gravitaxis. These findings implicate an interconnected mechanism for gravity sensation involving an ion channel that is also present in the mammalian vestibular system, suggesting possible homology in gravity sensing across animal phylogeny.

Abstract Despite a constant barrage of intrinsic and environmental noise, embryogenesis is remarkably reliable, suggesting the existence of systems that ensure faithful execution of this complex process. We report that early C. elegans embryos, which normally show a highly reproducible lineage and cellular geometry, can compensate for deviations imposed by the discordant conditions of a steep temperature gradient generated in a microfluidic device starting at the two-cell stage. Embryos can survive a gradient of up to 7.5°C across the 50-micron axis through at least three rounds of division. This response is orientation-dependent: survival is higher when the normally faster-dividing anterior daughter of the zygote, AB, but not its sister, the posterior P1, is warmer. We find that temperature-dependent cellular division rates in the early embryo can be effectively modeled by a modification of the Arrhenius equation. Further, both cells respond to the gradient by dramatically reducing division rates compared to the predicted rates for the temperature experienced by the cell even though the temperature extremes are well within the range for normal development. This finding suggests that embryos may sense discordance and slow development in response. We found that in the cohort of surviving embryos, the cell on the warmer side at the two-cell stage shows a greater average decrease in expected division rate than that on the cooler side, thereby preserving the normal cellular geometry of the embryo under the discordant conditions. A diminished average slow-down response correlated with lethality, presumably owing to disruption of normal division order and developmental fidelity. Remarkably, some inviable embryos in which the canonical division order was reversed nonetheless proceeded through relatively normal morphogenesis, suggesting a subsequent compensation mechanism independent of cell division control. These findings provide evidence for a previously unrecognized process in C. elegans embryos that may serve to compensate for deviations imposed by aberrant environmental conditions, thereby resulting in a high-fidelity output.

ABSTRACT Innovations in metazoan development arise from evolutionary modification of gene regulatory networks (GRNs). We report widespread cryptic variation in the requirement for two key regulatory inputs, SKN-1/Nrf2 and MOM-2/Wnt, into the C. elegans endoderm GRN. While some natural variants show a nearly absolute requirement for these two regulators, in others, most embryos differentiate endoderm in their absence. GWAS and analysis of recombinant inbred lines reveal multiple genetic regions underlying this broad phenotypic variation. We observe a reciprocal trend, in which genomic variants, or knockdown of endoderm regulatory genes, that result in a high SKN-1 requirement often show low MOM-2/Wnt requirement and vice-versa, suggesting that cryptic variation in the endoderm GRN may be tuned by opposing requirements for these two key regulatory inputs. These findings reveal that while the downstream components in the endoderm GRN are common across metazoan phylogeny, initiating regulatory inputs are remarkably plastic even within a single species.

Timely sister chromatid separation, promoted by separase, is essential for faithful chromosome segregation. Separase is a member of the CD clan of cysteine proteases, which also includes the pro-apoptotic enzymes known as caspases. We report that the C. elegans separase SEP-1, primarily known for its role in cell division, is required for apoptosis when the predominant pro-apoptotic caspase CED-3 is compromised. Loss of SEP-1 results in extra surviving cells in a weak ced-3(-) mutant, and suppresses the embryonic lethality of a mutant defective for the apoptotic suppressor ced-9/Bcl-2. We also report apparent non-apoptotic roles for CED-3 in promoting germ cell proliferation and germline meiotic chromosome disjunction and the normal rate of embryonic development. Moreover, loss of the soma-specific (CSP-3) and germline-specific (CSP-2) caspase inhibitors results in CED-3-dependent suppression of embryonic lethality and meiotic chromosome non-disjunction respectively, when separase function is compromised. Thus, while caspases and separases have evolved different substrate specificities associated with their specialized functions in apoptosis and cell division respectively, they appear to have retained the residual ability to participate in both processes, supporting the view that co-option of components in cell division may have led to the innovation of programmed cell suicide early in metazoan evolution.

Genetically encoded reporters have greatly increased our understanding of biology, especially in neuroscience. While fluorescent reporters have been widely used, light delivery and phototoxicity have hindered their utility. Bioluminescence overcomes some of these challenges but requires the addition of an exogenous luciferin limiting its use. Using a modular approach we have engineered Autonomous Molecular BioluminEscent Reporter (AMBER), an indicator of membrane potential. Unlike other luciferase-luciferin bioluminescent systems AMBER encodes the genes to express both the luciferase and luciferin. AMBER is a voltage-gated luciferase coupling the functionalities of the Ciona voltage sensing domain (VSD) and bacterial luciferase, luxAB. When AMBER is co-expressed with the luciferin producing genes it reversibly switches the bioluminescent intensity as a function of membrane potential. Utilizing both biophysical and biochemical methods we show that unlike other voltage indicators AMBER modulates its enzymatic activity as a function of the membrane potential. AMBER shows a several fold increase in the luminescent (ΔL/L) output upon switching from off to on state when the cell is depolarized. In vivo expression of AMBER in C. elegans allowed detecting pharyngeal pumping action and mechanosensory neural activity from multiple worms simultaneously. Since we are able to report neural activity of multiple animals at the same time, we believe AMBER can be used in social behavior assays to elucidate the role of membrane potential underlying the behaviors.

Abstract The heteroplasmic state of eukaryotic cells allows for cryptic accumulation of defective mitochondrial genomes (mtDNA). “Purifying selection” mechanisms operate to remove such dysfunctional mtDNAs. We found that activators of programmed cell death (PCD), including the CED-3 and CSP-1 caspases, the BH3-only protein CED-13, and PCD corpse engulfment factors, are required in C. elegans to attenuate germline abundance of a 3.1 kb mtDNA deletion mutation, uaDf5 , which is normally stably maintained in heteroplasmy with wildtype mtDNA. In contrast, removal of CED-4/Apaf1 or a mutation in the CED-4-interacting prodomain of CED-3, do not increase accumulation of the defective mtDNA, suggesting induction of a non-canonical germline PCD mechanism or non-apoptotic action of the CED-13/caspase axis. We also found that the abundance of germline mtDNA uaDf5 reproducibly increases with age of the mothers. This effect is transmitted to the offspring of mothers, with only partial intergenerational removal of the defective mtDNA. In mutants with elevated mtDNA uaDf5 levels, this removal is enhanced in older mothers, suggesting an age-dependent mechanism of mtDNA quality control. Indeed, we found that both steady-state and age-dependent accumulation rates of uaDf5 are markedly decreased in long-lived, and increased in short-lived, mutants. These findings reveal that regulators of both PCD and the aging program are required for germline mtDNA quality control and its intergenerational transmission.