The complete amino-acid sequence of the cyclic GMP-gated channel from bovine retinal rod photo-receptors, deduced by cloning and sequencing its complementary DNA, shows that the protein contains several putative transmembrane segments, followed by a region that is similar to the cyclic GMP-binding domains of cyclic GMP-dependent protein kinase. Expression of the complementary DNA produces cyclic GMP-gated channel activity in Xenopus oocytes.

ABSTRACT The reaction of CO 2 with H 2 O to form HCO 3 - and H + is one of the most important chemical equilibria in cells. In mammalian sperm, a soluble adenylyl cyclase (sAC) serves as cellular HCO 3 - sensor that conveys the equilibrium state via cAMP synthesis to cAMP-signaling molecules. The function of sAC and cAMP in non-mammalian sperm is largely unknown. Here, we identify sAC orthologs in sea urchin and salmon sperm that, surprisingly, are activated by alkaline pH rather than HCO 3 - . Two amino-acid residues required for HCO 3 - binding of mammalian sAC are lacking in pH-regulated sAC. Orthologs identified in ten other phyla are also lacking either one of these key residues, suggesting that pH control is widespread among non-mammalian metazoan. The pH-sensitive sAC controls several functions of sperm from external fertilizers. Upon spawning, alkalization triggers cAMP synthesis and, thereby, activates motility of quiescent sperm. Egg-derived chemoattractants also alkalize sperm and elevate cAMP, which then-modulates pacemaker HCN channels to trigger a chemotactic Ca 2+ response. Finally, the sAC and the voltage- and cAMP-activated Na + /H + exchanger sNHE mutually control each other. A picture of evolutionary significance is emerging: motility and sensory signaling of sperm from both internal and external fertilizers rely on cAMP, yet, their sAC is regulated by HCO 3 - or pH i , respectively. Acidification of aquatic habitats due to climate change may adversely affect pH-sensing by sAC and thereby sexual reproduction in the sea. Statement of significance Adenylyl cyclases synthesize cAMP, a prominent cellular messenger. A bicarbonate-sensitive AC family member, soluble AC (sAC), is tied to the chemical equilibrium: H 2 O + CO 2 ↔ HCO 3 - (bicarbonate) + H + . The sAC is required for fertilization: Mammals lacking sAC are infertile and sperm immotile. We now identify a new sAC form in sperm of non-mammalian animals that reproduce in the sea. This novel sAC is activated at alkaline pH rather than bicarbonate. It controls sperm motility and chemotaxis. The switch from HCO 3 - to pH rests on substitution of two amino-acids, which represents an adaptation to aquatic environments low in bicarbonate. Acidification of aquatic habitats due to climate change may adversely affect sAC activity and, thereby, fertilization.

Compartmentalization of cellular signaling forms the molecular basis of cellular behavior. The primary cilium constitutes a subcellular compartment that orchestrates signal transduction independent from the cell body. Ciliary dysfunction causes severe diseases, termed ciliopathies. Analyzing ciliary signaling and function has been challenging due to the lack of tools to temporarily manipulate and analyze ciliary signaling. Here, we describe a nanobody-based targeting approach for optogenetic tools that is applicable in vitro and in vivo and allows to specifically analyze ciliary signaling and function. Thereby, we overcome the loss of protein function observed after direct fusion to a ciliary targeting sequence. We functionally localized modifiers of cAMP signaling, i.e. the photo-activated adenylate cyclase bPAC and the light-activated phosphodiesterase LAPD, as well as the cAMP biosensor mlCNBD-FRET to the cilium. Using this approach, we studied the contribution of spatial cAMP signaling in controlling cilia length. Combining optogenetics with nanobody-based targeting will pave the way to the molecular understanding of ciliary function in health and disease.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.