Although Drosophila systemic immunity is extensively studied, little is known about the fly's intestine-specific responses to bacterial infection. Global gene expression analysis of Drosophila intestinal tissue to oral infection with the Gram-negative bacterium Erwinia carotovora revealed that immune responses in the gut are regulated by the Imd and JAK-STAT pathways, but not the Toll pathway. Ingestion of bacteria had a dramatic impact on the physiology of the gut that included modulation of stress response and increased stem cell proliferation and epithelial renewal. Our data suggest that gut homeostasis is maintained through a balance between cell damage due to the collateral effects of bacteria killing and epithelial repair by stem cell division. The Drosophila gut provides a powerful model to study the integration of stress and immunity with pathways associated with stem cell control, and this study should prove to be a useful resource for such further studies.

TET proteins oxidize 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC), and 5-carboxylcytosine (5caC). 5fC and 5caC are excised by mammalian DNA glycosylase TDG, implicating 5mC oxidation in DNA demethylation. Here, we show that the genomic locations of 5fC can be determined by coupling chemical reduction with biotin tagging. Genome-wide mapping of 5fC in mouse embryonic stem cells (mESCs) reveals that 5fC preferentially occurs at poised enhancers among other gene regulatory elements. Application to Tdg null mESCs further suggests that 5fC production coordinates with p300 in remodeling epigenetic states of enhancers. This process, which is not influenced by 5hmC, appears to be associated with further oxidation of 5hmC and commitment to demethylation through 5fC. Finally, we resolved 5fC at base resolution by hydroxylamine-based protection from bisulfite-mediated deamination, thereby confirming sites of 5fC accumulation. Our results reveal roles of active 5mC/5hmC oxidation and TDG-mediated demethylation in epigenetic tuning at regulatory elements.

The Drosophila host defense against gram-negative bacteria is mediated by the Imd pathway upon sensing of peptidoglycan by the peptidoglycan recognition protein (PGRP)-LC. Here we report a functional analysis of PGRP-LB, a catalytic member of the PGRP family. We show that PGRP-LB is a secreted protein regulated by the Imd pathway. Biochemical studies demonstrate that PGRP-LB is an amidase that specifically degrades gram-negative bacteria peptidoglycan. In agreement with its amidase activity, PGRP-LB downregulates the Imd pathway. Hence, activation of PGRP-LB by the Imd pathway provides a negative feedback regulation to tightly adjust immune activation to infection. Our study also reveals that PGRP-LB controls the immune reactivity of flies to the presence of ingested bacteria in the gut. Our work highlights the key role of PGRPs that encode both sensors and scavengers of peptidoglycan, which modulate the level of the host immune response to the presence of infectious microorganisms.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) share phenotypic and pathologic overlap. Recently, an expansion of GGGGCC repeats in the first intron of C9orf72 was found to be a common cause of both illnesses; however, the molecular pathogenesis of this expanded repeat is unknown. Here we developed both Drosophila and mammalian models of this expanded hexanucleotide repeat and showed that expression of the expanded GGGGCC repeat RNA (rGGGGCC) is sufficient to cause neurodegeneration. We further identified Pur α as the RNA-binding protein of rGGGGCC repeats and discovered that Pur α and rGGGGCC repeats interact in vitro and in vivo in a sequence-specific fashion that is conserved between mammals and Drosophila . Furthermore, overexpression of Pur α in mouse neuronal cells and Drosophila mitigates rGGGGCC repeat-mediated neurodegeneration, and Pur α forms inclusions in the fly eye expressing expanded rGGGGCC repeats, as well as in cerebellum of human carriers of expanded GGGGCC repeats. These data suggest that expanded rGGGGCC repeats could sequester specific RNA-binding protein from their normal functions, ultimately leading to cell death. Taken together, these findings suggest that the expanded rGGGGCC repeats could cause neurodegeneration, and that Pur α may play a role in the pathogenesis of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia.

The melanization reaction is a major immune response in Arthropods and involves the rapid synthesis of melanin at the site of infection and injury. A key enzyme in the melanization process is phenoloxidase (PO), which catalyzes the oxidation of phenols to quinones, which subsequently polymerize into melanin. The Drosophila genome encodes three POs, which are primarily produced as zymogens or prophenoloxidases (PPO). Two of them, PPO1 and PPO2, are produced by crystal cells. Here we have generated flies carrying deletions in PPO1 and PPO2. By analyzing these mutations alone and in combination, we clarify the functions of both PPOs in humoral melanization. Our study shows that PPO1 and PPO2 are responsible for all the PO activity in the hemolymph. While PPO1 is involved in the rapid early delivery of PO activity, PPO2 is accumulated in the crystals of crystal cells and provides a storage form that can be deployed in a later phase. Our study also reveals an important role for PPO1 and PPO2 in the survival to infection with Gram-positive bacteria and fungi, underlining the importance of melanization in insect host defense.

Antimicrobial peptides (AMPs) are host-encoded antibiotics that combat invading microorganisms. These short, cationic peptides have been implicated in many biological processes, primarily involving innate immunity. In vitro studies have shown AMPs kill bacteria and fungi at physiological concentrations, but little validation has been done in vivo. We utilized CRISPR gene editing to delete most known immune-inducible AMPs of Drosophila, namely: 4 Attacins, 2 Diptericins, Drosocin, Drosomycin, Metchnikowin and Defensin. Using individual and multiple knockouts, including flies lacking these ten AMP genes, we characterize the in vivo function of individual and groups of AMPs against diverse bacterial and fungal pathogens. We found that Drosophila AMPs act primarily against Gram-negative bacteria and fungi, contributing either additively or synergistically. We also describe remarkable specificity wherein certain AMPs contribute the bulk of microbicidal activity against specific pathogens, providing functional demonstrations of highly specific AMP-pathogen interactions in an in vivo setting.

ABSTRACT The glycolytic/lipogenic axis promotes the synthesis of energetic molecules and building blocks necessary to support cell growth, although the absolute requirement of this metabolic axis must be deeply investigated. Here, we used Drosophila genetics and focus on the mTOR signaling network that controls cell growth and homeostasis. mTOR is present in two distinct complexes, mTORC1 and mTORC2. The former directly responds to amino acids and energetic levels, whereas the latter is required to sustain the signaling response downstream of insulin-like-peptide (Ilp) stimulation. Either signaling branch can be independently modulated in most Drosophila tissues. We confirm this independency in the fat tissue. We show that ubiquitous over-activation of mTORC1 or Ilp signaling affects carbohydrate and lipid metabolism, supporting the use of Drosophila as a powerful model to study the link between growth and metabolism. We show that cell-autonomous restriction of glycolysis or lipogenesis in fat cells impedes overgrowth dependent on Ilp-but not mTORC1-signaling. Additionally, ubiquitous deficiency of lipogenesis ( FASN mutants) results in a drop in mTORC1 but not Ilp signaling, whereas, at the cell-autonomous level, lipogenesis deficiency affects none of these signals in fat cells. These findings thus, reveal differential metabolic sensitivity of mTORC1- and Ilp-dependent overgrowth. Furthermore, they suggest that local metabolic defects may elicit compensatory pathways between neighboring cells, whereas enzyme knockdown in the whole organism results in animal death. Importantly, our study weakens the use of single inhibitors to fight mTOR-related diseases and strengthens the use of drug combination and selective tissue-targeting.

ABSTRACT Pheromone-mediated partner recognition is crucial for maintenance of animal species. Here, we discover a metabolic link between pheromone and gamete physiology. In female genital tract, oocyte maturation is arrested at a specific meiotic-phase. Release of this arrest, called oocyte-activation, is triggered by a species-dependent signal. We show in Drosophila melanogaster that oenocytes, which produce the fatty acids (FAs) used as precursors of cuticular hydrocarbons (CHCs), including pheromones, are also essential for oocyte activation. We identified a set of FA-anabolic enzymes required within oenocytes for the synthesis of a particular FA that is not a CHC precursor but controls oocyte activation. Our study thus reveals that two tightly linked FA-anabolic pathways act in parallel, one to produce sexual pheromones, the other to initiate embryonic development. Given that pheromone-deficient Drosophila melanogaster females are highly attractive for males irrespective of their species, this oenocyte function might have evolved to prevent hybrid development.