For more than 100 years, the fruit fly

ABSTRACT Despite holding a central role for fertilisation success, reproductive traits often show elevated rates of evolution and diversification. The rapid evolution of seminal fluid proteins (Sfps) within populations is predicted to cause mis-signalling between the male ejaculate and female reproductive tract between populations resulting in postmating prezygotic (PMPZ) isolation. Crosses between populations of Drosophila montana show PMPZ isolation in the form of reduced fertilisation success in both noncompetitive and competitive contexts. Here we test whether male ejaculate proteins deriving from either the accessory glands or the ejaculatory bulb differ between populations using liquid chromatography tandem mass spectrometry. We find more than 150 differentially abundant proteins between populations which may contribute to PMPZ isolation. These proteins include a number of proteases and peptidases, and several orthologs of D. melanogaster Sfps, all known to mediate fertilisation success and which mimic PMPZ isolation phenotypes. Males of one population typically produced greater quantities of Sfps and the strongest PMPZ isolation occurs in this direction. The accessory glands and ejaculatory bulb have different functions and the ejaculatory bulb contributes more to population differences than the accessory glands. Proteins with a secretory signal, but not Sfps, evolve faster than non-secretory proteins although the conservative criteria used to define Sfps may have impaired the ability to identify rapidly evolving proteins. We take advantage of quantitative proteomics data from three Drosophila species to determine shared and unique functional enrichments of Sfps that could be subject to selection between taxa and subsequently mediate PMPZ isolation. Our study provides the first high throughput quantitative proteomic evidence showing divergence of reproductive proteins implicated in the emergence of PMPZ isolation between populations. IMPACT SUMMARY Identifying traits that prevent successful interbreeding is key to understanding early stages of the formation of new species, or speciation. Reproductive isolation arising prior to and during fertilisation frequently involves differences in how the sexes interact. In internally fertilising taxa, such interactions are mediated between the female reproductive tract where fertilisation occurs and the receipt of the ejaculate necessary for fertilisation. Because ejaculate proteins are at least partially responsible for these interactions, differences in male ejaculate protein composition could negatively impact fertilisation success, generating reproductive isolation. While the biological classes of ejaculate proteins are shared across all animal taxa, proteins that are secreted by males tend to show rapid evolution in gene expression and genetic sequence. Thus, reproductive proteins are suggested as prime targets facilitating reproductive isolation that arises after mating but before fertilisation (PostMating PreZygotic or PMPZ isolation). Most research on PMPZ isolation has focussed on differences between species for which it is not possible to determine the causative and temporal order of early speciation processes. Here, we test whether populations that exhibit few genetic differences but show strong PMPZ isolation also exhibit variation in ejaculate composition using quantitative high throughput proteomic analyses. We find a number of proteins are differentially abundant between populations including several known to impact fertilisation success in other species. We show that secreted proteins are evolving at an elevated rate, implicating their potential role in PMPZ isolation. We test divergence in ejaculate composition between species, finding a core set of functions that were conserved across species which last shared a common ancestor more than 40 million years ago along with species-specific investment. This work highlights the divergent evolution of reproductive proteins which may contribute to barriers between populations within a species early during speciation, extendable to similar analyses in other taxa in the future.

Polyandry drives postcopulatory sexual selection (PCSS), resulting in rapid evolution of male ejaculate traits. Critical to male and female fitness, the ejaculate is known to contain rapidly evolving seminal fluid proteins (SFPs) produced by specialized male secretory accessory glands. The evidence that rapid evolution of some SFPs is driven by PCSS, however, is indirect, based on either plastic responses to changes in the sexual selection environment or correlative macroevolutionary patterns. Moreover, such studies focus on SFPs that represent but a small component of the accessory gland proteome. Neither how SFPs function with other reproductive proteins, nor how PCSS influences the underlying secretory tissue adaptations and content of the accessory gland, has been addressed at the level of the proteome. Here we directly test the hypothesis that PCSS results in rapid evolution of the entire male accessory gland proteome and protein networks by taking a system-level approach, combining divergent experimental evolution of PCSS in Drosophila pseudoobscura (Dpse), high resolution mass spectrometry (MS) and proteomic discovery, bioinformatics and population genetic analyses. We demonstrate that PCSS influences the abundance of over 200 accessory gland proteins, including SFPs. A small but significant number of these proteins display molecular signatures of positive selection. Divergent PCSS also results in fundamental and remarkably compartmentalized evolution of accessory gland protein networks in which males subjected to strong PCSS invest in protein networks that serve to increase protein production whereas males subjected to relaxed PCSS alters protein networks involved in protein surveillance and quality. These results directly demonstrate that PCSS is a key evolutionary driver that shapes not only individual reproductive proteins, but rewires entire reproductive protein networks.

Given the central role fertilization plays in the health and fitness of sexually reproducing organisms and the well-known evolutionary consequences of sexual selection and sperm competition, knowledge gained by a deeper understanding of sperm (and associated reproductive tissues) proteomes has proven critical to the field’s advancement. Due to their extraordinary complexity, proteome depth-of-coverage is dependent on advancements in technology and related bioinformatics, both of which have made significant advancements in the decade since the last Drosophila sperm proteome was published. Here we provide an updated version of the Drosophila melanogaster sperm proteome (DmSP3) using improved separation and detection methods and an updated genome annotation. We identified 2563 proteins, with label-free quantitation (LFQ) for 2125 proteins. Combined with previous versions of the sperm proteome, the DmSP3 contains a total of 3176 proteins. The top 20 most abundant proteins contained the structural elements α - and β -tubulins and sperm leucyl-aminopeptidases (S-Laps). Both gene content and protein abundance were significantly reduced on the X chromosome, a finding consistent with prior genomic studies of the X chromosome gene content and evolution. We identified 9 of the 16 Y-linked proteins, including known testis-specific male fertility factors. LFQ measured significant levels for 75/83 ribosomal proteins (RPs) we identified, including a number of core constituents. The role of this unique subset of RPs in sperm is unknown. Surprisingly, our expanded sperm proteome also identified 122 seminal fluid proteins (Sfps), proteins found predominantly in the accessory glands. The possibility of tissue contamination from seminal vesicle or other reproductive tissues was addressed using concentrated salt and detergent treatments. Salt treatment had little effect on sperm proteome composition suggesting only minor contamination during sperm isolation while a significant fraction of Sfps remained associated with sperm following detergent treatment suggesting Sfps may arise within, and have additional functions, in sperm per se .

Abstract Evidence suggests that environmental factors may contribute to Alzheimer’s disease (AD). The B-like vitamin choline plays key roles in body- and brain-related functions. Choline produced endogenously by the phosphatidylethanolamine N-methyltransferase (PEMT) enzyme in the liver is not sufficient for adequate physiological functions, necessitating daily dietary intake. ∼90% of Americans don’t reach the recommended daily choline intake. Thus, it’s imperative to determine whether dietary deficiency increases disease outcomes. Here, we placed 3xTg-AD, a model of AD, and non-transgenic (NonTg) control mice on either a sufficient choline (ChN) or choline deficient (Ch-; choline deficiency) diet from 3 to 12 (early to late adulthood) months of age. Ch- reduced plasma choline and acetylcholine levels, increased weight, and impaired both glucose metabolism and motor function in NonTg, with 3xTg-AD mice showing greater deficits. Tissue analyses showed cardiac and liver pathology, and elevated Amyloid-β and phosphorylated tau in the hippocampus and cortex of 3xTg-AD Ch- mice. Unbiased proteomic analyses revealed Ch- altered hippocampal networks associated with microtubule function and postsynaptic membrane regulation. In plasma, Ch- altered protein networks associated with insulin metabolism, mitochondrial function, and inflammation. Collectively, our data highlight that dietary choline intake is necessary to prevent systems-wide organ pathology and reduce AD hallmark pathologies.