Amino acid coevolution reveals three-dimensional structure and functional domains of insect odorant receptors.

Insect odorant receptors (ORs) comprise an enormous protein family that translates environmental chemical signals into neuronal electrical activity. These heptahelical receptors are proposed to function as ligand-gated ion channels and/or to act metabotropically as G protein-coupled receptors (GPCRs). Resolving their signalling mechanism has been hampered by the lack of tertiary structural information and primary sequence similarity to other proteins. We use amino acid evolutionary covariation across these ORs to define restraints on structural proximity of residue pairs, which permit de novo generation of three-dimensional models. The validity of our analysis is supported by the location of functionally important residues in highly constrained regions of the protein. Importantly, insect OR models exhibit a distinct transmembrane domain packing arrangement to that of canonical GPCRs, establishing the structural unrelatedness of these receptor families. The evolutionary couplings and models predict odour binding and ion conduction domains, and provide a template for rationale structure-activity dissection.

The joy of sex pheromones.

Sex pheromones provide an important means of communication to unite individuals for successful reproduction. Although sex pheromones are highly diverse across animals, these signals fulfil common fundamental roles in enabling identification of a mating partner of the opposite sex, the appropriate species and of optimal fecundity. In this review, we synthesize both classic and recent investigations on sex pheromones in a range of species, spanning nematode worms, insects and mammals. These studies reveal comparable strategies in how these chemical signals are produced, detected and processed in the brain to regulate sexual behaviours. Elucidation of sex pheromone communication mechanisms both defines outstanding models to understand the molecular and neuronal basis of chemosensory behaviours, and reveals how similar evolutionary selection pressures yield convergent solutions in distinct animal nervous systems. EMBO reports advance online publication 13 September 2013; doi:10.1038/embor.2013.140.

Biochemical analysis of female mice urine with reference to endocrine function: a key tool for estrus detection.

Species-specific chemical signals released through urine, sweat, saliva and feces are involved in communication between animals. Urinary biochemical constituents along with pheromones may contribute to variation across reproductive cycles and facilitate to estrus detection. Hence, the present study was designed to analyze such biochemical profiles, such as proteins, carbohydrates, lipids, fatty acids, in response with steroid hormones such as estradiol and progesterone. The experimental groups were normal, prepubertal, ovariectomized, and ovariectomized with estrogentreated female mice. In normal mice, the protein and lipid concentrations in urine were significantly higher in proestrus and estrus phases and the quantity of fatty acids was also comparatively higher in estrus. Furthermore, certain fatty acids, namely tridecanoic, palmitic and oleic acids, were present during proestrus and estrus phases, but were exclusively absent in ovariectomized mice. However, the carbohydrate level was equally maintained throughout the four phases of estrous cycle. For successful communication, higher concentrations of protein and specific fatty acids in estrus are directly involved. The significant increase in estradiol at estrus and progesterone at metestrus seems to be of greater importance in the expression pattern of biochemical constituents and may play a notable role in estrous cycle regulation. Thus, we conclude that the variations observed in the concentration of the biochemical constituents depend on the phase of the reproductive cycle as well as hormonal status of animals. The appearance of protein and specific fatty acids during estrus phase raises the possibility to use these as a urinary indicators for estrus detection.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.

Dialogues of root-colonizing biocontrol pseudomonads

Among biocontrol agents that are able to suppress root diseases caused by fungal pathogens, root-colonizing fluorescent pseudomonads have received particular attention because many strains of these bacteria trigger systemic resistance in host plants and produce antifungal compounds and exoenzymes. In general, the expression of these plant-beneficial traits is regulated by autoinduction mechanisms and may occur on roots when the pseudomonads form microcolonies. Three major classes of antibiotic compounds reviewed here in detail (2,4-diacetylphloroglucinol, pyoluteorin and various phenazine compounds) are all produced under cell population density-dependent autoinduction control acting at transcriptional and post-transcriptional levels. This regulation can either be reinforced or attenuated by a variety of chemical signals emanating from the pseudomonads themselves, other microorganisms or root exudates. Signals stimulating biocontrol factor expression via the Gac/Rsm signal transduction pathway in the biocontrol strain Pseudomonas fluorescens CHA0 are synthesized by many different plant-associated bacteria, warranting a more detailed investigation in the future.

Ionotropic and metabotropic mechanisms in chemoreception: 'chance or design'?

Chemosensory receptors convert an enormous diversity of chemical signals from the external world into a common language of electrical activity in the brain. Mammals and insects use several families of transmembrane receptor proteins to recognize distinct classes of volatile and non-volatile chemicals that are produced by conspecifics or other environmental sources. A comparison of the signalling mechanisms of mammalian and insect receptors has revealed an unexpected functional distinction: mammals rely almost exclusively on metabotropic ligand-binding receptors, which use second messenger signalling cascades to indirectly activate ion channels, whereas insects use ionotropic receptors, which are gated directly by chemical stimuli, thereby leading to neuronal depolarization. In this review, we consider possible reasons for this dichotomy, taking into account biophysical, cell biological, ecological and evolutionary influences on how information is extracted from chemosensory cues by these animal classes.

Long-distance wound signalling in arabidopsis

The leaves of all plants use elaborate and inducible defence systems to protect themselves. A wide variety of such defences are known and they include defence chemicals such as alkaloids, phenolics and terpenes, physical structures ranging from fibre cells to silica deposits, and a wide variety of defence proteins many of which target digestive processes in herbivores. It has long been known that the defence responses of plants under attack by insects are not restricted to the site of attack. Instead, if a leaf is damaged, defence can be triggered in other parts of the plant body, for example in distal leaves or even in roots and flowers. This raises the question of what are the organ-to-organ signals that coordinate this process. Several hypotheses have been proposed. These include the long-distance transfer of chemical signals through the plant vasculature, hydraulic signals that may transit through the xylem, and electrical signals that would move through living tissues such as the phloem. Much evidence for each of these scenarios has been published. In this thesis we took advantage of the fact that many plant defence responses are regulated by a signal transduction pathway based on a molecule called jasmonic acid. We used this molecule, one of its derivatives (jasmonoyl-isoleucine), and some of the genes it regulates as markers. Using these we investigated the possible role of the electrical signals in the leaf- to-leaf activation of the jasmonate pathway. We found that feeding insects stimulate easily detected electrical activity in the leaves of Arabidopsis thaliana and we used non-invasive surface electrodes to record this activity. This approach showed that jasmonate pathway activity and the electrical activity provoked by mechanical wounding occurred within identical spatial boundaries. Measurements of the apparent speed of surface potentials agreed well with previous velocity estimates for the speed of leaf-to-leaf signals that activate the jasmonate pathway. Using this knowledge we were able to investigate the effects of current injection into Arabidopsis leaves. This resulted in the strong expression of many jasmonate-regulated genes. All these results showed that electrical activity and the activation of jasmonate signalling were highly correlated. In order to test for possible causal links between the two processes, we conducted a small-scale reverse genetic screen on a series of T-DNA insertion mutants in ion channel genes and in other genes encoding proteins such as proton pumps. This screen, which was based on surface potential measurements, revealed that mutations in genes related to ionotropic glutamate receptors in animals had impaired electrical activity after wounding. Combining mutation of two of these glutamate-receptor-like genes in a double mutant reduced the response of leaves to current injection. When a leaf of this double mutant was wounded it failed to transmit a long-distance signal to a distal leaf. This result distinguished the double mutant from the wild-type plant and provides the first genetic evidence that electrical signalling is necessary to coordinate defence responses between organs in plants. - Les feuilles des plantes disposent de systèmes de défense inductibles très élaborés. Un grand nombre de ces systèmes de défenses sont connus et sont basés sur des composés chimiques comme les alcaloïdes, les composés phénoliques ou les terpènes, des systèmes physiques allant de la production de cellules fibreuses aux cristaux de silice ainsi qu'un grand nombre de protéines de défense ciblant le processus digestif des herbivores. Il est connu dépuis longtemps que la réponse défensive de la plante face à l'attaque pas un insecte n'est pas seulement localisée au niveau de la zone d'attaque. A la place, si une feuille est attaquée, les systèmes de défense peuvent être activés ailleurs dans la plante, comme par exemple dans d'autres feuilles, les racines ou même les fleurs. Ces observations soulèvent la question de la nature des signaux d'organes à organes qui régulent ces systèmes. Plusieurs hypothèses ont été formulées; une ou plusieures molécules pourraient être véhiculées dans la plante grâce au système vasculaire, un signal hydraulique transmis au travers du xylème ou encore des signaux électriques transmis par les cellules comme dans le phloème par exemple. De nombreuses études ont été publiées sur ces différentes hypothèses. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi d'utiliser à notre avantage le fait que de nombreuses réponses de défense de la plante sont régulées par une même voie de signalisation utilisant l'acide jasmonique. Nous avons utilisé comme marqueurs cette molécule, un de ses dérivés (le jasmonoyl-isoleucine) ainsi que certains des gènes que l'acide jasmonique régule. Nous avons alors testé l'implication de la transmission de signaux électriques dans l'activation de la voie du jasmonate de feuille à feuille. Nous avons découvert que les insectes qui se nourrissent de feuilles d'Arabidopsis thaliana activent un signal électrique que nous avons pu mesurer grâce à une technique non invasive d'électrodes de surface. Les enregistrements ont montré que la génération de signaux électriques et l'activation de la voie du jasmonate avaient lieu aux mêmes endroits. La mesure de la vitesse de déplacement des impulsions électriques correspond aux estimations faites concernant l'activation de la voie du jasmonate. Grâce à cela, nous avons pu tester l'effet d'injection de courant électrique dans les feuilles d'Arabidopsis. La conséquence a été une forte expression de nombreux gènes de la voie du jasmonate, suggérant une forte corrélation entre l'activité électrique et l'activation de la voie du jasmonate. Afin de tester le lien de cause entre ces deux phénomènes, nous avons entrepris un criblage génétique sur une série de mutants d'insertion à l'ADN-T dans des gènes de canaux ioniques et d'autres gènes d'intérêt comme les gènes des pompes à protons. Ce criblage, basé sur la mesure de potentiels de surface, a permis de montrer que plusieurs mutations de gènes liés aux récepteurs au glutamate ionotropique présentent une baisse drastique de leurs activités électriques après une blessure mécanique des feuilles par rapport au type sauvage. Par la combinaison de deux mutations de ces récepteurs au glutamate en un double mutant, on obtient une réponse à la stimulation électrique encore plus faible. Quand une feuille du double mutant est blessée, elle est incapable de transmettre un signal à longue distance vers une feuille éloignée. Ce résultat permet de distinguer le double mutant de la plante sauvage et amène la première preuve génétique que l'activité électrique est nécessaire pour coordonner les réponses de défense entre les organes chez les plantes.

Molecular basis of odor detection in insects.

Olfactory systems are evolutionarily ancient, underlying the common requirement for all animals to sense and respond to diverse volatile chemical signals in their environment. Odor detection is mediated by odorant receptors (ORs) that, in most olfactory systems, comprise large families of divergent G protein-coupled receptors. Here, I discuss our and others' recent investigations of ORs in the fruit fly, Drosophila melanogaster, which have revealed insights into the distinct evolutionary origin and molecular function of insect ORs. I also describe a bioinformatics strategy that we developed to identify molecules that function with these insect-specific receptors in odor detection.

Evolving olfactory systems on the fly.

The detection of odour stimuli in the environment is universally important for primal behaviours such as feeding, mating, kin interactions and escape responses. Given the ubiquity of many airborne chemical signals and the similar organisation of animal olfactory circuits, a fundamental question in our understanding of the sense of smell is how species-specific behavioural responses to odorants can evolve. Recent comparative genomic, developmental and physiological studies are shedding light on this problem by providing insights into the genetic mechanisms that underlie anatomical and functional evolution of the olfactory system. Here we synthesise these data, with a particular focus on insect olfaction, to address how new olfactory receptors and circuits might arise and diverge, offering glimpses into how odour-evoked behaviours could adapt to an ever-changing chemosensory world.

A spatial accommodation by neighboring cells is required for organ initiation in Arabidopsis.

Lateral root formation in plants can be studied as the process of interaction between chemical signals and physical forces during development. Lateral root primordia grow through overlying cell layers that must accommodate this incursion. Here, we analyze responses of the endodermis, the immediate neighbor to an initiating lateral root. Endodermal cells overlying lateral root primordia lose volume, change shape, and relinquish their tight junction-like diffusion barrier to make way for the emerging lateral root primordium. Endodermal feedback is absolutely required for initiation and growth of lateral roots, and we provide evidence that this is mediated by controlled volume loss in the endodermis. We propose that turgidity and rigid cell walls, typical of plants, impose constraints that are specifically modified for a given developmental process.

Ancient protostome origin of chemosensory ionotropic glutamate receptors and the evolution of insect taste and olfaction.

Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are a highly conserved family of ligand-gated ion channels present in animals, plants, and bacteria, which are best characterized for their roles in synaptic communication in vertebrate nervous systems. A variant subfamily of iGluRs, the Ionotropic Receptors (IRs), was recently identified as a new class of olfactory receptors in the fruit fly, Drosophila melanogaster, hinting at a broader function of this ion channel family in detection of environmental, as well as intercellular, chemical signals. Here, we investigate the origin and evolution of IRs by comprehensive evolutionary genomics and in situ expression analysis. In marked contrast to the insect-specific Odorant Receptor family, we show that IRs are expressed in olfactory organs across Protostomia--a major branch of the animal kingdom that encompasses arthropods, nematodes, and molluscs--indicating that they represent an ancestral protostome chemosensory receptor family. Two subfamilies of IRs are distinguished: conserved "antennal IRs," which likely define the first olfactory receptor family of insects, and species-specific "divergent IRs," which are expressed in peripheral and internal gustatory neurons, implicating this family in taste and food assessment. Comparative analysis of drosophilid IRs reveals the selective forces that have shaped the repertoires in flies with distinct chemosensory preferences. Examination of IR gene structure and genomic distribution suggests both non-allelic homologous recombination and retroposition contributed to the expansion of this multigene family. Together, these findings lay a foundation for functional analysis of these receptors in both neurobiological and evolutionary studies. Furthermore, this work identifies novel targets for manipulating chemosensory-driven behaviours of agricultural pests and disease vectors.

Sensing pheromones : a role for the CNGA4 and TRPC2 proteins

Chez les mammifères, les phéromones sont des molécules clés dans la régulation des comportements sociaux au sein d'une espèce. Chez la souris, la détection de ces molécules se fait dans l'organe voméronasal (VNO] et implique le canal TRPC2 afin de dépolariser les neurones. Des différences de comportement entre des souris Trpc2-/- et des souris sans VNO suggèrent l'implication d'une autre protéine effectrice dans la voie de signalisation des phéromones. L'hypothèse étant que cette protéine formerait un canal hétéromérique avec TRPC2. CNGA4 est une protéine sans fonction connue dans le VNO des rongeurs. Elle appartient à la famille des protéines CNG qui joue un rôle important dans différentes voies de signalisation comme la vision ou l'olfaction. Etant donné sa présence dans le VNO, son rôle inconnu dans cet organe et son rôle important dans de nombreuses voies de signalisation, nous avons décidé d'étudier CNGA4 afin de connaître sa localisation, ses propriétés ou encore sa structure. Nous avons découvert que CNGA4 est exprimée dans les axons, les neurones immatures ainsi que sur les microvillosités des neurones de VNO. A l'aide de souris portant une version non fonctionnelle de CNGA4, nous avons pu montrer que cette protéine joue un rôle majeur dans la voie de signalisation des phéromones. Ainsi, les neurones du VNO portant une version non fonctionnelle de CNGA4 répondent moins fréquemment aux phéromones et par conséquent les phéromones activent également moins de neurones dans le bulbe olfactif accessoire, premier relais du VNO avec le cortex. Cette détection défaillante se traduit par une absence d'agressivité des souris mutantes ainsi que par une incapacité de ces souris à discriminer le sexe de leur conspécifique. Etant donné les propriétés similaires de CNGA4 et de TRPC2, nous avons supposé que les deux protéines pourraient interagir. Cette hypothèse a été confortée par l'observation que CNGA4 n'est plus exprimée dans les microvillosités du VNO des souris Trpc2-/-. A l'aide d'expériences d'expression hétérologue, nous avons pu observer que les deux protéines interagissent et forment un canal activé par un analogue du diacylglycérol suggérant que ce canal est fonctionnel. Ces résultats indiquent que CNGA4 formerait un canal hétéromérique avec TRPC2 et aurait dans ce canal une fonction modulatrice. Des expériences complémentaires sont nécessaires afin de connaître le rôle de chacune de ces protéines dans la voie de signalisation des phéromones. Sensing pheromones: a role for the CNGA4 and TRPC2 proteins Mammalian pheromones are key chemical signals in the regulation of intraspecies social behaviors. Detection of these pheromones, which takes place in sensory neurons of the vomeronasal organ (VNO), implies the activation of the transient receptor potential canonical channel 2 (TRPC2) as the final effector. Interestingly, discrepancies between Trpc2 /- mice and mice lacking a VNO suggest the implication of another protein in the pheromone signaling pathway. This protein could either form a heteromeric channel with TRPC2 or a separate homomeric ion channel. The cyclic nucleotide-gated channel subunit CNGA4 is also expressed in the rodent VNO but its role and properties in this organ remain unknown. CNGA4 belongs to the CNG channel family which is playing an important role in different sensory pathways such as in light and odorant detection. We thus decided to study the role of the CNGA4 protein in the mouse VNO. We found CNGA4 to be expressed in axons, dendrites and in the sensory microvilli. Using mice bearing a non-functional form of CNGA4 we further demonstrated the importance of the CNGA4 protein for the pheromone signaling pathway as neurons from mutant mice were responding less frequently to chemosensory cues. As a result, mutant mice displayed a non-aggressive behavior and an impaired sexual discrimination ability. Based on the CNGA4 localization and its role in the pheromone signaling pathway we hypothesized a possible interaction between CNGA4 and TRPC2 forming a heteromeric channel. First evidences for this interaction came from the absence of CNGA4 expression in the sensory microvilli of Trpc2-/- mice. Second, using transfected HEK cells as an expression system we could observe that CNGA4 and TRPC2 interact and translocate to the plasma membrane. Perfusion of a DAG analogue on co-transfected HEK cells resulted in a strong calcium entry suggesting that the two proteins form a functional channel. These results might suggest a modulatory role for CNGA4 in a heteromeric TRPC2+CNGA4 ion channel. Further experiments will give more insights on the combined role of these transduction ion channels in pheromone detection.

Information from single-cell bacterial biosensors: what is it good for?

Bacterial reporter cells (i.e. strains engineered to produce easily measurable signals in response to one or more chemical targets) can principally be used to quantify chemical signals and analytes, physicochemical conditions and gradients on a microscale (i.e. micrometer to submillimeter distances), when the reporter signal is determined in individual cells. This makes sense, as bacterial life essentially thrives in microheterogenic environments and single-cell reporter information can help us to understand the microphysiology of bacterial cells and its importance for macroscale processes like pollutant biodegradation, beneficial bacteria-eukaryote interactions, and infection. Recent findings, however, showed that clonal bacterial populations are essentially always physiologically, phenotypically and genotypically heterogeneous, thus emphasizing the need for sound statistical approaches for the interpretation of reporter response in individual bacterial cells. Serious attempts have been made to measure and interpret single-cell reporter gene expression and to understand variability in reporter expression among individuals in a population.

Membrane potential dynamics of neocortical projection neurons driving target-specific signals.

Primary sensory cortex discriminates incoming sensory information and generates multiple processing streams toward other cortical areas. However, the underlying cellular mechanisms remain unknown. Here, by making whole-cell recordings in primary somatosensory barrel cortex (S1) of behaving mice, we show that S1 neurons projecting to primary motor cortex (M1) and those projecting to secondary somatosensory cortex (S2) have distinct intrinsic membrane properties and exhibit markedly different membrane potential dynamics during behavior. Passive tactile stimulation evoked faster and larger postsynaptic potentials (PSPs) in M1-projecting neurons, rapidly driving phasic action potential firing, well-suited for stimulus detection. Repetitive active touch evoked strongly depressing PSPs and only transient firing in M1-projecting neurons. In contrast, PSP summation allowed S2-projecting neurons to robustly signal sensory information accumulated during repetitive touch, useful for encoding object features. Thus, target-specific transformation of sensory-evoked synaptic potentials by S1 projection neurons generates functionally distinct output signals for sensorimotor coordination and sensory perception.