Abstract For at least two centuries, scientists have been enthralled by the “zombie” behaviors induced by mind-controlling parasites. Despite this interest, the mechanistic bases of these uncanny processes have remained mostly a mystery. Here, we leverage the recently established Entomophthora muscae - Drosophila melanogaster “zombie fly” system to reveal the molecular and cellular underpinnings of summit disease, a manipulated behavior evoked by many fungal parasites. Using a new, high-throughput behavior assay to measure summiting, we discovered that summiting behavior is characterized by a burst of locomotion and requires the host circadian and neurosecretory systems, specifically DN1p circadian neurons, pars intercerebralis to corpora allata projecting (PI-CA) neurons and corpora allata (CA), who are solely responsible for juvenile hormone (JH) synthesis and release. Summiting is a fleeting phenomenon, posing a challenge for physiological and biochemical experiments requiring tissue from summiting flies. We addressed this with a machine learning classifier to identify summiting animals in real time. PI-CA neurons and CA appear to be intact in summiting animals, despite E. muscae cells invading the host brain, particularly in the superior medial protocerebrum (SMP), the neuropil that contains DN1p axons and PI-CA dendrites. The blood-brain barrier of flies late in their infection was significantly permeabilized, suggesting that factors in the hemolymph may have greater access to the central nervous system during summiting. Metabolomic analysis of hemolymph from summiting flies revealed differential abundance of several compounds compared to non-summiting flies. Transfusing the hemolymph of summiting flies into non-summiting recipients induced a burst of locomotion, demonstrating that factor(s) in the hemolymph likely cause summiting behavior. Altogether, our work reveals a neuro-mechanistic model for summiting wherein fungal cells perturb the fly’s hemolymph, activating the neurohormonal pathway linking clock neurons to juvenile hormone production in the CA, ultimately inducing locomotor activity in their host.

Despite over a century of observations, the obligate insect parasites within the order Entomophthorales remain poorly characterized at the genetic level. This is in part due to their large genome sizes and difficulty in obtaining sequenceable material. In this manuscript, we leveraged a recently-isolated, laboratory-tractable Entomophthora muscae isolate and improved long-read sequencing to obtain a largely-complete entomophthoralean genome. Our E. muscae assembly is 1.03 Gb, consists of 7,810 contigs and contains 81.3% complete fungal BUSCOs. Using a comparative approach with other available (transcriptomic and genomic) datasets from entomophthoralean fungi, we provide new insight into the biology of these understudied pathogens. We offer a head-to-head comparison of morphological and molecular data for species within the E. muscae species complex. Our findings suggest that substantial taxonomic revision is needed to define species within this group and we provide recommendations for differentiating strains and species in the context of the existing body of E. muscae scientific literature. We show that giant genomes are the norm within Entomophthoraceae owing to extensive, but not recent, Ty3 retrotransposon activity, despite the presence of anti-transposable element defense machinery (RNAi). In addition, we find that E. muscae and its closest allies are enriched for M16A peptidases and possess genes that are likely homologs to the blue-light sensor white-collar 1, a Neurospora crassa gene that has a well-established role in maintaining circadian rhythms. We find that E. muscae has an expanded group of acid-trehalases, consistent with trehalose being the primary sugar component of fly (and insect) hemolymph. We uncover evidence that E. muscae diverged from other entomophthoralean fungi by expansion of existing families, rather than loss of particular domains, and possesses a potentially unique suite of secreted catabolic enzymes, consistent with E. muscae's species-specific, biotrophic lifestyle. Altogether, we provide a genetic and molecular foundation that we hope will provide a platform for the continued study of the unique biology of entomophthoralean fungi.