Summary

 Internal nutrient sensors play important roles in feeding behavior, yet their molecular structure and mechanism of action are poorly understood. Using Ca²⁺ imaging and behavioral assays, we show that the gustatory receptor 43a (Gr43a) functions as a narrowly tuned fructose receptor in taste neurons. Remarkably, Gr43a also functions as a fructose receptor in the brain. Interestingly, hemolymph fructose levels are tightly linked to feeding status: after nutritious carbohydrate consumption, fructose levels rise several fold and reach a concentration sufficient to activate Gr43a in the brain. By using different feeding paradigms and artificial activation of Gr43a-expressing brain neurons, we show that Gr43a is both necessary and sufficient to sense hemolymph fructose and promote feeding in hungry flies but suppress feeding in satiated flies. Thus, our studies indicate that the Gr43a-expressing brain neurons function as a nutrient sensor for hemolymph fructose and assign opposing valence to feeding experiences in a satiation-dependent manner.

Significance The energy-producing organelle mitochondrion contains its own compact genome, which is separate from the nuclear genome. In nearly all mammals, this mitochondrial genome is inherited exclusively from the mother, and transmission of paternal mitochondria or mitochondrial DNA (mtDNA) has not been convincingly demonstrated in humans. In this paper, we have uncovered multiple instances of biparental inheritance of mtDNA spanning three unrelated multiple generation families, a result confirmed by independent sequencing across multiple unrelated laboratories with different methodologies. Surprisingly, this pattern of inheritance appears to be determined in an autosomal dominantlike manner. This paper profoundly alters a widespread belief about mitochondrial inheritance and potentially opens a novel field in mitochondrial medicine.

Ants are a highly successful family of insects that thrive in a variety of habitats across the world. Perhaps their best-known features are complex social organization and strict division of labor, separating reproduction from the day-to-day maintenance and care of the colony, as well as strict discrimination against foreign individuals. Since these social characteristics in ants are thought to be mediated by semiochemicals, a thorough analysis of these signals, and the receptors that detect them, is critical in revealing mechanisms that lead to stereotypic behaviors. To address these questions, we have defined and characterized the major chemoreceptor families in a pair of behaviorally and evolutionarily distinct ant species, Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator. Through comprehensive re-annotation, we show that these ant species harbor some of the largest yet known repertoires of odorant receptors (Ors) among insects, as well as a more modest number of gustatory receptors (Grs) and variant ionotropic glutamate receptors (Irs). Our phylogenetic analyses further demonstrate remarkably rapid gains and losses of ant Ors, while Grs and Irs have also experienced birth-and-death evolution to different degrees. In addition, comparisons of antennal transcriptomes between sexes identify many chemoreceptors that are differentially expressed between males and females and between species. We have also revealed an agonist for a worker-enriched OR from C. floridanus, representing the first case of a heterologously characterized ant tuning Or. Collectively, our analysis reveals a large number of ant chemoreceptors exhibiting patterns of differential expression and evolution consistent with sex/species-specific functions. These differentially expressed genes are likely associated with sex-based differences, as well as the radically different social lifestyles observed between C. floridanus and H. saltator, and thus are targets for further functional characterization. Our findings represent an important advance toward understanding the molecular basis of social interactions and the differential chemical ecologies among ant species.

Genetic defects affecting steroid biosynthesis cause cortisol deficiency and differences of sex development; among them recessive mutations in the steroidogenic enzymes CYP11A1 and CYP11B, whose function is supported by reducing equivalents donated by ferredoxin reductase (FDXR) and ferredoxin. So far, mutations in the mitochondrial flavoprotein FDXR have been associated with a progressive neuropathic mitochondriopathy named FDXR-Related Mitochondriopathy (FRM), but cortisol insufficiency has not been documented. However, FRM patients often experience worsening or demise following stress associated with infections. We investigated two female FRM patients carrying the novel homozygous FDXR mutation p.G437R with ambiguous genitalia at birth and sudden death in the first year of life; they presented with cortisol deficiency and androgen excess compatible with 11-hydroxylase deficiency. In addition, steroidogenic FDXR-variant cell lines reprogrammed from three FRM patients' fibroblasts displayed deficient mineralocorticoid and glucocorticoid production. Finally, Fdxr-mutant mice allelic to the severe p.R386W human variant, showed reduced progesterone and corticosterone production. Therefore, our comprehensive studies show that human FDXR variants may cause compensated, but possibly life-threatening adrenocortical insufficiency in stress by affecting adrenal glucocorticoid and mineralocorticoid synthesis through direct enzyme inhibition, most likely in combination with disturbed mitochondrial redox balance.

With very few exceptions, mitochondrial DNA (mtDNA) in humans is transmitted exclusively from mothers to their offspring, suggesting the presence of a strong evolutionary pressure favoring the exclusion of paternal mtDNA. We have recently shown strong evidence of paternal mtDNA transmission. In these rare situations, males exhibiting biparental mtDNA appear to be limited to transmitting just one of the mtDNA species to their offspring, while females possessing biparental mtDNA populations consistently transmit both populations to their offspring at a very similar heteroplasmy level. The precise biological and genetic factors underlying this unusual transmission event remain unclear. Here, we have examined heteroplasmy levels in various tissues among individuals with biparental inheritance. Our results indicate that individuals with biparental mtDNA have remarkable inter-tissue variability in heteroplasmy level. At the single-cell level, paternal mtDNA heteroplasmy in sperm varies dramatically, and many sperm possess only one of the two mtDNA populations originally in question. These results show a fundamental, parent-of-origin difference in how mtDNA molecules transmit and propagate. This helps explain how a single population of mtDNAs are transmitted from a father possessing two populations of mtDNA molecules, suggesting that some mtDNA populations may be favored over others when transmitted from the father.

The chemosensory system is key to establishing and maintaining social structure in eusocial insects. Ants exhibit cooperative colonial behaviors reflective of an advanced form of sociality with an extensive dependency on communication. Cuticular hydrocarbons (CHCs) serve as pheromones and cues that regulate multiple aspects of social interactions and behaviors in ants. The perception of CHCs entails odorant receptor neurons (ORNs) that express specific odorant receptors (ORs) encoded by a dramatically expanded Or gene family in ants. Until recently, studies of the biological functions of ORs in eusocial insects were stymied by the lack of genetic tools. In most eusocial insect species, only one or a few queens in a colony can transmit the genetic information to their progeny. In contrast, any worker in the ant Harpegnathos saltator can be converted into a gamergate (pseudo-queen), and used as a foundress to engender an entire new colony and be crossed for genetic experiments. This feature facilitated CRISPR-Cas9 gene targeting to generate a germline mutation in the orco gene that encodes the obligate co-receptor whose mutation should significantly impact ant olfaction. Our results show that Orco exhibits a conserved role in the perception of general odorants but also a role in reproductive physiology and social behavior plasticity in ants. Surprisingly, and in contrast to other insect systems, the loss of OR functionality also dramatically reduces the development of the ant antennal lobe where ORNs project. Taken together, these findings open the possibility of studying the genetics of eusociality and provide inroads towards understanding the function of the expanded ORs family in eusocial insects in regulating caste determination, social communication and neuronal plasticity.

Strictly maternal inheritance and lack of inter-molecular recombination of the human mitochondrial genome (mtDNA) are the assumed preconditions for molecular evolution studies, phylogenetic reconstruction and population genetic analyses. This hypothesis, however, has been challenged by investigations providing evidence for genetic recombination of mtDNA, thus sparking controversy. Using single-molecule real-time (SMRT) sequencing technology, we sequenced the entire mtDNA from blood and fibroblast cells from five individuals with biparental mtDNA transmission in three separate, multiple-generation families. After phasing the single nucleotide polymorphism (SNP) genotypes of mtDNA, no inter-molecular recombination between paternal and maternal mtDNA was found when the mtDNA was transmitted in either biparental or maternal mode. Our study provides support for the argument that inter-molecular mtDNA recombination is absent or extremely rare in humans. As a consequence, these results support the feasibility of mtDNA-based molecular evolution studies and phylogenetic and population genetic analyses for humans, while also avoiding inaccurate phylogenetic inferences and incorrect rejection of the molecular clock.

ABSTRACT Aging is often perceived as a degenerative process resulting from random accrual of cellular damage over time. Despite this, age can be accurately estimated by epigenetic clocks based on DNA methylation profiles from almost any tissue of the body. Since such pan-tissue epigenetic clocks have been successfully developed for several different species, we hypothesized that one can build pan-mammalian clocks that measure age in all mammalian species. To address this, we generated data using 11,754 methylation arrays, each profiling up to 36 thousand cytosines in highly-conserved stretches of DNA, from 59 tissue-types derived from 185 mammalian species. From these methylation profiles, we constructed three age predictors, each with a single mathematical formula, termed universal pan-mammalian clocks that are accurate in estimating the age (r>0.96) of any mammalian tissue. Deviations between epigenetic age and chronological age relate to mortality risk in humans, mutations that affect the somatotropic axis in mice, and caloric restriction. We characterized specific cytosines, whose methylation levels change with age across most mammalian species. These cytosines are greatly enriched in polycomb repressive complex 2-binding sites, are located in regions that gradually lose chromatin accessibility with age and are proximal to genes that play a role in mammalian development, cancer, human obesity, and human longevity. Collectively, these results support the notion that aging is indeed evolutionarily conserved and coupled to developmental processes across all mammalian species - a notion that was long-debated without the benefit of this new compelling evidence. SUMMARY This study identifies and characterizes evolutionarily conserved cytosines implicated in the aging process across mammals and establishes pan mammalian epigenetic clocks.