Abstract Neuron-specific morphology and function are fundamentally tied to differences in gene expression across the nervous system. We previously generated a single cell RNA-seq dataset for every anatomical neuron class in the C. elegans hermaphrodite. Here we present a complementary set of bulk RNA-seq samples for 41 of the 118 neuron classes in C. elegans . We show that the bulk dataset captures both lowly expressed and noncoding RNAs that are missed in the single cell dataset, but also includes false positives due to contamination by other cell types. We present an integrated analytical strategy that effectively resolves both the low sensitivity of single cell RNA-seq data and the reduced specificity of bulk RNA-Seq. We show that this integrated dataset enhances the sensitivity and accuracy of transcript detection and quantification of differentially expressed genes. We propose that our approach provides a new tool for interrogating gene expression, by bridging the gap between old (bulk) and new (single cell) methodologies for transcriptomic studies. We suggest that these datasets will advance the goal of delineating the mechanisms that define neuronal morphology and connectivity in C. elegans .

SUMMARY Environmental stress-induced epigenetic changes are inherited by germlines and profoundly affect the behavior and physiology of subsequent generations. However, the mechanisms by which acquired transgenerational epigenetic imprints are established in the parental germline remain poorly understood. In this study, we used Caenorhabditis elegans as a model system and demonstrated that a key node of metabolism-Pod-2, an acetyl-CoA carboxylase, together with vitellogenins (Vits), cholesterol-binding/transport proteins, guide establishment of the acquired transgenerational epigenetic modifications H3K27me3 in the parental germline. The loss of function of a Vit; its transporter or receptor; or its binding partner, pod-2, resulted in the loss of acquired epigenetic memory in the germline. Our findings indicate that lipid metabolism is a critical mediator for establishing transgenerational epigenetic imprints in the germline.

ABSTRACT Mapping neurotransmitter identities to neurons is key to understanding information flow in a nervous system. It also provides valuable entry points for studying the development and plasticity of neuronal identity features. In the C. elegans nervous system, neurotransmitter identities have been largely assigned by expression pattern analysis of neurotransmitter pathway genes that encode neurotransmitter biosynthetic enzymes or transporters. However, many of these assignments have relied on multicopy reporter transgenes that may lack relevant cis -regulatory information and therefore may not provide an accurate picture of neurotransmitter usage. We analyzed the expression patterns of 16 CRISPR/Cas9-engineered knock-in reporter strains for all main types of neurotransmitters in C. elegans (glutamate, acetylcholine, GABA, serotonin, dopamine, tyramine, and octopamine) in both the hermaphrodite and the male. Our analysis reveals novel sites of expression of these neurotransmitter systems within both neurons and glia, as well as non-neural cells. The resulting expression atlas defines neurons that may be exclusively neuropeptidergic, substantially expands the repertoire of neurons capable of co-transmitting multiple neurotransmitters, and identifies novel neurons that uptake monoaminergic neurotransmitters. Furthermore, we also observed unusual co-expression patterns of monoaminergic synthesis pathway genes, suggesting the existence of novel monoaminergic transmitters. Our analysis results in what constitutes the most extensive whole-animal-wide map of neurotransmitter usage to date, paving the way for a better understanding of neuronal communication and neuronal identity specification in C. elegans .

Maps of gene expression patterns in the nervous system provide an important resource for neuron classification, for functional analysis and for developmental studies that ask how different neurons acquire their unique identities. By analyzing transgenic gfp reporter strains, we describe here the expression pattern of 244 putative chemosensory receptor-encoding genes, which constitute the largest gene family in C.elegans. We show that, as expected, chemoreceptor expression is enriched in chemosensory neurons but it is also expressed in a wide range of interneurons, motorneurons, as well as non-neuronal cells, suggesting that putative chemosensory receptors may not just sense environmental signals but also internal cues. We find that each chemoreceptor is expressed in a few neuron types, often just one, but each neuron type can express a large number of chemoreceptors. Interestingly, we uncovered that chemoreceptor expression is remarkably plastic, particularly in the context of the environmentally-induced dauer diapause stage. Taken together, this molecular atlas of chemosensory receptors provides an entry point for functional studies and offers a host of markers for studying neuronal patterning and plasticity.

Fertilization capacity and embryo survival rate are decreased in postovulatory aging oocytes, which results in a reduced reproductive rate in female animals. However, the key regulatory genes and related regulatory mechanisms involved in the process of postovulatory aging in oocytes remain unclear. In this study, RNA-Seq revealed that 3237 genes were differentially expressed in porcine oocytes between the MII and aging stages (MII + 24 h). The expression level of FOXM1 was increased at the aging stage, and FOXM1 was also observed to be enriched in many key biological processes, such as cell senescence, response to oxidative stress, and transcription, during porcine oocyte aging. Previous studies have shown that FOXM1 is involved in the regulation of various biological processes, such as oxidative stress, DNA damage repair, mitochondrial function, and cellular senescence, which suggests that FOXM1 may play a crucial role in the process of postovulatory aging. Therefore, in this study, we investigated the effects and mechanisms of FOXM1 on oxidative stress, mitochondrial function, DNA damage, and apoptosis during oocyte aging. Our study revealed that aging oocytes exhibited significantly increased ROS levels and significantly decreased GSH, SOD, T-AOC, and CAT levels than did oocytes at the MII stage and that FOXM1 inhibition exacerbated the changes in these levels in aging oocytes. In addition, FOXM1 inhibition increased the levels of DNA damage, apoptosis, and cell senescence in aging oocytes. A p21 inhibitor alleviated the effects of FOXM1 inhibition on oxidative stress, mitochondrial function, and DNA damage and thus alleviated the degree of senescence in aging oocytes. These results indicate that FOXM1 plays a crucial role in porcine oocyte aging. This study contributes to the understanding of the function and mechanism of FOXM1 during porcine oocyte aging and provides a theoretical basis for preventing oocyte aging and optimizing conditions for the in vitro culture of oocytes.

In all animals, sexual differentiation of somatic tissue is precisely timed, yet the molecular mechanisms that control the timing of sexual differentiation, particularly in the brain, are poorly understood. We have used sexually dimorphic molecular, anatomical and behavioral features of the C. elegans nervous system to decipher a regulatory pathway that controls the precise timing of sexual differentiation. We find that the sexually dimorphic differentiation of postmitotic neurons in the male nervous system is abrogated in animals that carry a mutation in the miRNA let-7 and prematurely executed in animals either lacking the let-7 inhibitor lin-28, or the direct let-7 target lin-41, an RNA-binding, posttranscriptional regulator. We show that an isoform of a phylogenetically conserved transcription factor, lin-29a, is a critical target of LIN-41 in controlling sexual maturation of sex-shared neurons. lin-29a is expressed in a male-specific manner in a subset of sex-shared neurons at the onset of sexual maturation. lin-29a acts cell-autonomously in these neurons to control the expression of sexually dimorphic neurotransmitter switches, sensory receptor expression, neurite anatomy and connectivity, and locomotor behavior. lin-29a is not only required but also sufficient to impose male-specific features at earlier stages of development and in the opposite sex. The temporal, sexual and spatial specificity of lin-29a expression is controlled intersectionally through the lin-28/let-7/lin-41 heterochronic pathway, sex chromosome configuration and neuron type-specific terminal selector transcription factors. Two Doublesex-like transcription factors represent additional neuron-type specific targets of LIN-41 and are regulated in a similar intersectional manner, indicating the existence of modular outputs downstream of the heterochronic pathway. In conclusion, we have provided insights into the molecular logic of the timing of sexual differentiation in the C. elegans nervous system. Remarkably, the lin28/let7 axis also controls the timing of sexual differentiation in mice and humans thereby hinting toward a striking universality of the control mechanisms of sexual differentiation.

Decreased oocyte quality is a significant contributor to the decline in female fertility that accompanies aging in mammals. Oocytes rely on mRNA stores to support their survival and integrity during the protracted period of transcriptional dormancy as they await ovulation. However, the changes in mRNA levels and interactions that occur during porcine oocyte maturation and aging remain unclear. In this study, the mRNA expression profiles of porcine oocytes during the GV, MII, and aging (24 h after the MII stage) stages were explored by transcriptome sequencing to identify the key genes and pathways that affect oocyte maturation and postovulatory aging. The results showed that 10929 genes were coexpressed in porcine oocytes during the GV stage, MII stage, and aging stage. In addition, 3037 genes were expressed only in the GV stage, 535 genes were expressed only in the MII stage, and 120 genes were expressed only in the aging stage. The correlation index between the GV and MII stages (0.535) was markedly lower than that between the MII and aging stages (0.942). A total of 3237 genes, which included 1408 upregulated and 1829 downregulated genes, were differentially expressed during porcine oocyte postovulatory aging (aging stage vs. MII stage). Key functional genes, including ATP2A1, ATP2A3, ATP2B2, NDUFS1, NDUFA2, NDUFAF3, SREBF1, CYP11A1, CYP3A29, GPx4, CCP110, STMN1, SPC25, Sirt2, SYCP3, Fascin1/2, PFN1, Cofilin, Tmod3, FLNA, LRKK2, CHEK1/2, DDB1/2, DDIT4L, and TONSL, and key molecular pathways, such as the calcium signaling pathway, MAPK signaling pathway, TGF-β signaling pathway, PI3K/Akt signaling pathway, FoxO signaling pathway, gap junctions, and thermogenesis, were found in abundance during porcine postovulatory aging. These genes are mainly involved in the regulation of many biological processes, such as oxidative stress, calcium homeostasis, mitochondrial function, and lipid peroxidation, during porcine oocyte postovulatory aging. These results contribute to a more in-depth understanding of the biological changes, key regulatory genes and related biological pathways that are involved in oocyte aging and provide a theoretical basis for improving the efficiency of porcine embryo production in vitro and in vivo.