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.

Gene regulatory networks (GRNs) that direct animal embryogenesis must respond to varying environmental and physiological conditions to ensure robust construction of organ systems. While GRNs are evolutionarily modified by natural genomic variation, the roles of epigenetic processes in shaping plasticity of GRN architecture are not well-understood. The endoderm GRN in C. elegans is initiated by the maternally supplied SKN-1/Nrf2 bZIP transcription factor; however, the requirement for SKN-1 in endoderm specification varies widely among distinct C. elegans wild isotypes owing to rapid developmental system drift driven by accumulation of cryptic genetic variants. We report here that heritable epigenetic factors that are stimulated by transient developmental diapause also underlie cryptic variation in the requirement for SKN-1 in endoderm development. This epigenetic memory is inherited from the maternal germline, apparently through a nuclear, rather than cytoplasmic, signal, resulting in a parent-of-origin effect (POE), in which the phenotype of the progeny resembles that of the maternal founder. The occurrence and persistence of POE varies between different parental pairs, perduring for at least ten generations in one pair. This long-perduring POE requires piwi-piRNA function and the germline nuclear RNAi pathway, as well as MET-2 and SET-32, which direct histone H3K9 trimethylation and drive heritable epigenetic modification. Such non-genetic cryptic variation may provide a resource of additional phenotypic diversity through which adaptation may facilitate evolutionary changes and shape developmental regulatory systems.

Abstract Development is driven by gene regulatory networks (GRNs) that progressively dictate specification and differentiation of cell fates. The architecture of GRNs directly determines the specificity and accuracy of developmental outcomes. We report here that the core regulatory circuitry for endoderm development in C. elegans is comprised of a recursive series of interlocked feedforward modules linking a cascade of six sequentially expressed GATA-type transcription factors. This structure results in a reiterated sequential redundancy, in which removal of a single factor or alternate factors in the cascade results in no, or a mild, effect on endoderm development and gut differentiation, while elimination of any two factors that are sequentially deployed in the cascade invariably results in a strong phenotype. The strength of the observed phenotypes is successfully predicted by a computational model based on the timing and levels of transcriptional states. The feedforward regulatory logic in the GRN appears to ensure timely onset of terminal differentiation genes and allows rapid and robust lockdown of cell fate during early embryogenesis. We further found that specification-to-differentiation transition is linked through a common regulator, the END-1 GATA factor that straddles the two processes. Finally, we revealed roles for key GATA factors in establishing spatial regulatory state domains by acting as transcriptional repressors that appear to define the boundaries of the digestive tract. Our findings support a comprehensive model of the core gene network that describes how robust endoderm development is achieved during C. elegans embryogenesis. Graphic abstract

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.

Can processes occurring in one individuals nervous system influence the physiology of the descendants? Here we explored the provocative hypothesis that parents sensation or perception of environmental cues can influence their offspring, extending across many subsequent generations. We show that in Caenorhabditis elegans, temperature perception on its own can induce transgenerational changes in RNAi factors, small RNAs, and the genes that they regulate. Moreover, we identified secreted factors that enable a pair of thermosensory neurons (AFD) to communicate with the germline and trace the path of the epigenetic signal. We further modeled the process mathematically and validated the new predictions generated by the model experimentally. Hence, our results demonstrate that sensory perception is sufficient to trigger small RNA-mediated heritable gene expression memory.