A description of the Mei2-like protein family; structure, phylogenetic distribution and biological context

The Schizosaccharomyces pombe Mei2 gene encodes an RNA recognition motif (RRM) protein that stimulates meiosis upon binding a specific non-coding RNA and subsequent accumulation in a “mei2-dot” in the nucleus. We present here the first systematic characterization of the family of proteins with characteristic Mei2-like amino acid sequences. Mei2-like proteins are an ancient eukaryotic protein family with three identifiable RRMs. The C-terminal RRM (RRM3) is unique to Mei2-like proteins and is the most highly conserved of the three RRMs. RRM3 also contains conserved sequence elements at its C-terminus not found in other RRM domains. Single copy Mei2-like genes are present in some fungi, in alveolates such as Paramecium and in the early branching eukaryote Entamoeba histolytica, while plants contain small families of Mei2-like genes. While the C-terminal RRM is highly conserved between plants and fungi, indicating conservation of molecular mechanisms, plant Mei2-like genes have changed biological context to regulate various aspects of developmental pattern formation.

五株纤毛虫遗传关系的ISSR分析

采用ISSR分子标记技术,尝试对四种五株纤毛虫(褶累枝虫(Epistylis plicatilis)、绿草履虫(Paramecium bursaria)、多态喇叭虫(Stentor polymorphus)、嗜热四膜虫BF1株(Tetrahymena thermophilaBF1)和嗜热四膜虫BF5株(T.ther-mophilaBF5))进行遗传关系研究。用13个ISSR引物对五株纤毛虫进行扩增,六个ISSR引物获得多态片段。根据Nei s遗传距离矩阵构建了五株纤毛虫的遗传关系树状图。UPGMA,NJ聚

Independent Transport and Sorting of Functionally Distinct Protein Families in Tetrahymena thermophila Dense Core Secretory Granules

Dense core granules (DCGs) in Tetrahymena thermophila contain two protein classes. Proteins in the first class, called granule lattice (Grl), coassemble to form a crystalline lattice within the granule lumen. Lattice expansion acts as a propulsive mechanism during DCG release, and Grl proteins are essential for efficient exocytosis. The second protein class, defined by a C-terminal beta/gamma-crystallin domain, is poorly understood. Here, we have analyzed the function and sorting of Grt1p (granule tip), which was previously identified as an abundant protein in this family. Cells lacking all copies of GRT1, together with the closely related GRT2, accumulate wild-type levels of docked DCGs. Unlike cells disrupted in any of the major GRL genes, Delta GRT1 Delta GRT2 cells show no defect in secretion, indicating that neither exocytic fusion nor core expansion depends on GRT1. These results suggest that Grl protein sorting to DCGs is independent of Grt proteins. Consistent with this, the granule core lattice in Delta GRT1 Delta GRT2 cells appears identical to that in wild-type cells by electron microscopy, and the only biochemical component visibly absent is Grt1p itself. Moreover, gel filtration showed that Grl and Grt proteins in cell homogenates exist in nonoverlapping complexes, and affinity-isolated Grt1p complexes do not contain Grl proteins. These data demonstrate that two major classes of proteins in Tetrahymena DCGs are likely to be independently transported during DCG biosynthesis and play distinct roles in granule function. The role of Grt1p may primarily be postexocytic; consistent with this idea, DCG contents from Delta GRT1 Delta GRT2 cells appear less adhesive than those from the wild type.

Genome-wide identification and characterization of cytochrome P450 monooxygenase genes in the ciliate Tetrahymena thermophila

Background: Cytochrome P450 monooxygenases play key roles in the metabolism of a wide variety of substrates and they are closely associated with endocellular physiological processes or detoxification metabolism under environmental exposure. To date, however, none has been systematically characterized in the phylum Ciliophora. T. thermophila possess many advantages as a eukaryotic model organism and it exhibits rapid and sensitive responses to xenobiotics, making it an ideal model system to study the evolutionary and functional diversity of the P450 monooxygenase gene family. Results: A total of 44 putative functional cytochrome P450 genes were identified and could be classified into 13 families and 21 sub-families according to standard nomenclature. The characteristics of both the conserved intron-exon organization and scaffold localization of tandem repeats within each P450 family clade suggested that the enlargement of T. thermophila P450 families probably resulted from recent separate small duplication events. Gene expression patterns of all T. thermophila P450s during three important cell physiological stages (vegetative growth, starvation and conjugation) were analyzed based on EST and microarray data, and three main categories of expression patterns were postulated. Evolutionary analysis including codon usage preference, sit-especific selection and gene-expression evolution patterns were investigated and the results indicated remarkable divergences among the T. thermophila P450 genes. Conclusion: The characterization, expression and evolutionary analysis of T. thermophila P450 monooxygenase genes in the current study provides useful information for understanding the characteristics and diversities of the P450 genes in the Ciliophora, and provides the baseline for functional analyses of individual P450 isoforms in this model ciliate species.

以营养动力学为基础的种间竞争模型的建立

本文从生物种群增长的营养动力学理论出发，建立了一个新的种间竞争的数学模型，这是单种群增长的崔-Iawson模型在种间竞争中的发展和推广。二者有着共同的比较真实可靠的理论基础。新的种间竞争模型在特殊条件下转化为经典的Lotka-Volterra竞争方程，二者有着相同的定性行为，但是，用作者提出的种群竞争力指数，新的种间竞争模型能够能够给予种间竞争结局一个符合生物、生态学原理的解，而且，新的种间竞争模型在定量行为上大大扩充了Lotka-Volterra竞争方程，例如，以非线性种内，种间竞争功能反应代替了Lotka-Volterra竞争方程线性种内、种间竞争功能反应。因此，新的种间竞争模型是对经典的Lotka-Volterra竞争方程的扩充。对Gause的原生Paramecium���caudatum Stylonychia mytilus种竞争实验的数据拟合表明，新的种间竞争模型与种间竞争实验结果达到非常好的吻合，相反，Lotka-Volterra竞争方程拟合效果很差。将新的种间竞争模型尝试性地应用于长白山北坡岳桦云冷杉林的优势树种的动态特性分析和预测，也得到良好的结果。本项研究弥补了生物种群增长的营养动力学研究在种间竞争方面的不足；克服了经典的Lotka-Volterra竞争方程及其他种间竞争模型的局限，发展和完善了种间竞争的理论；这对于促进生态学向成熟发展具有重要意义。

O elo microbiano como alimento alternativo para o zooplâncton em reservatórios dominados por cianobactérias

Protozoa may be an important alternative food source for Calanoida copepods in these environments. Aiming to quantify the feeding preferences of N. cearensis by ciliates in the presence of cyanobacteria, in vitro experiments were conducted, using mixed cultures in different concentrations of total food for copepod. Two ciliates species (Paramecium sp. and Cyclidium sp.) and a cyanobacteria toxic strain (Microcystis aeruginosa) were offered as food. Previous experiments were done to identify the copepod s maximum ingestion rate through the use of a type II functional response model when each prey is offered separately. High maximum ingestion rate were found when those protists were offered as prey. N. cearensis showed significant preference for protozoal prey over the cyanobacterium tested both in low (corresponding 95.15% of the diet) and in high food concentration treatments (about 91.56% of the diet), preferring the bigger ciliate in lower concentrations (67.52% of the diet). The meaningful involvement of heterotrophic organisms in the zooplankton diet emphasis the microbial loop participation in the energy transition from copepods to higher trophic levels. This data contributes to understand the stability of existing trophic interactions in reservoirs subjected to eutrophication and assists trophic cascade studies in these environments

Impiego di Ciclopoidi (Crustacea, Copepoda) come agenti di lotta biologica contro le zanzare (Diptera, Culicidae)

Da 25 anni la letteratura scientifica internazionale riporta studi su varie specie di microcrostacei copepodi ciclopoidi dei generi Macrocyclops, Megacyclops e Mesocyclops predatori di larve di 1a e 2a età di culicidi. Si tratta di prove di predazione in laboratorio e in pieno campo, in diverse aree del pianeta nessuna delle quali riguarda l’Italia o il resto d’Europa, contro principalmente Aedes aegypti (L.), Ae. albopictus (Skuse) e altre specie del genere Anopheles e Culex. L’allevamento massale di copepodi ciclopoidi appare praticabile e questo, assieme alle buone prestazioni predatorie, rende tali ausiliari candidati assai interessanti contro le due principali specie di zanzare, Culex pipiens L. e Ae. albpopictus, che nelle aree urbane e periurbane italiane riescono a sfruttare raccolte d’acqua artificiali di volume variabile e a regime idrico periodico o permanente. Pertanto lo scopo dello studio è stato quello di arrivare a selezionare una o più specie di copepodi candidati per la lotta biologica e valutarne la possibilità applicativa nell’ambito dei programmi di controllo delle zanzare nocive dell’ambiente urbano. L’argomento del tutto nuovo per il nostro paese, è stato sviluppato attraverso varie fasi ciascuna delle quali propedeutica a quella successiva. •Indagine faunistica nell’area di pianura e costiera sulle specie di ciclopoidi associate a varie tipologie di raccolte d’acqua naturali e artificiali (fossi, scoline, canali, risaie e pozze temporanee). I campionamenti sono stati condotti con l’obiettivo di ottenere le specie di maggiori dimensioni (≥1 mm) in ristagni con diverse caratteristiche in termini di qualità dell’acqua e complessità biocenotica. •Prove preliminari di predazione in laboratorio con alcune specie rinvenute negli ambienti campionati, nei confronti delle larve di Ae. albopictus e Cx. pipiens. Le prestazioni di predazione sono state testate sottoponendo ai copepodi larve giovani di zanzare provenienti da allevamento e calcolato il numero giornaliero di larve attaccate. •Implementazione di un allevamento pilota della specie valutata più interessante, Macrocyclops albidus (Jurine) (Cyclopoida, Cyclopidae, Eucyclopinae), per i risultati ottenuti in laboratorio in termini di numero di larve predate/giorno e per le caratteristiche biologiche confacenti agli ambienti potenzialmente adatti ai lanci. Questa parte della ricerca è stata guidata dalla finalità di mettere a punto una tecnica di allevamento in scala in modo da disporre di stock di copepodi dalla primavera, nonchè da criteri di economicità nell’impianto e nella sua gestione. •Prove di efficacia in condizioni di semicampo e di campo in raccolte d’acqua normalmente colonizzate dai culicidi in ambito urbano: bidoni per lo stoccaggio di acqua per l’irrigazione degli orti e tombini stradali. In questo caso l’obiettivo principale è stato quello di ottenere dati sull’efficienza del controllo di M. albidus nei confronti della popolazione culicidica selvatica e sulla capacità del copepode di colonizzare stabilmente tali tipologie di focolai larvali. Risultati e conclusioni Indagine faunistica e prove di predazione in laboratorio L’indagine faunistica condotta nell’area costiera ferrarese, in quella ravennate e della pianura bolognese ha portato al rinvenimento di varie specie di ciclopoidi mantenuti in laboratorio per la conduzione delle prove di predazione. Le specie testate sono state: Acanthocyclops robustus (G. O. Sars), Macrocyclops albidus (Jurine), Thermocyclops crassus (Fischer), Megacyclops gigas (Claus). La scelta delle specie da testare è stata basata sulla loro abbondanza e frequenza di ritrovamento nei campionamenti nonché sulle loro dimensioni. Ciascuna prova è stata condotta sottoponendo a un singolo copepode, oppure a gruppi di 3 e di 5 esemplari, 50 larve di 1a età all’interno di contenitori cilindrici in plastica con 40 ml di acqua di acquedotto declorata e una piccola quantità di cibo per le larve di zanzara. Ciascuna combinazione “copepode/i + larve di Ae. albopictus”, è stata replicata 3-4 volte, e confrontata con un testimone (50 larve di Ae. albopictus senza copepodi). A 24 e 48 ore sono state registrate le larve sopravvissute. Soltanto per M. albidus il test di predazione è stato condotto anche verso Cx. pipiens. Messa a punto della tecnica di allevamento La ricerca è proseguita concentrando l’interesse su M. albidus, che oltre ad aver mostrato la capacità di predare a 24 ore quasi 30 larve di Ae. albopictus e di Cx. pipiens, dalla bibliografia risulta tollerare ampi valori di temperatura, di pH e alte concentrazioni di vari inquinanti. Dalla ricerca bibliografica è risultato che i ciclopoidi sono facilmente allevabili in contenitori di varia dimensione e foggia somministrando agli stadi di preadulto alghe unicellulari (Chlorella, Chilomonas), protozoi ciliati (Paramecium, Euplotes), rotiferi e cladoceri. Ciò presuppone colture e allevamenti in purezza di tali microrganismi mantenuti in parallelo, da utilizzare come inoculo e da aggiungere periodicamente nell’acqua di allevamento dei ciclopoidi. Nel caso di utilizzo di protozoi ciliati, occorre garantirne lo sviluppo che avviene a carico di flora batterica spontanea a sua volta cresciuta su di un substrato organico quale latte, cariossidi bollite di grano o soia, foglie di lattuga, paglia di riso bollita con cibo secco per pesci, lievito di birra. Per evitare il notevole impegno organizzativo e di manodopera nonché il rischio continuo di perdere la purezza della colonia degli organismi da utilizzare come cibo, le prove comparative di allevamento hanno portato ad un protocollo semplice ed sufficientemente efficiente in termini di copepodi ottenibili. Il sistema messo a punto si basa sull’utilizzo di una popolazione mista di ciliati e rotiferi, mantenuti nell'acqua di allevamento dei copepodi mediante la somministrazione periodica di cibo standard e pronto all’uso costituito da cibo secco per gatti. Prova di efficacia in bidoni da 220 l di capacità La predazione è stata studiata nel biennio 2007-2008 in bidoni da 220 l di capacità inoculati una sola volta in aprile 2007 con 100 e 500 esemplari di M. albidus/bidone e disposti all’aperto per la libera ovideposizione della popolazione culicidica selvatica. L’infestazione preimmaginale culicidica veniva campionata ogni due settimane fino ad ottobre, mediante un retino immanicato a maglia fitta e confrontata con quella dei bidoni testimone (senza copepodi). Nel 2007 il tasso di riduzione medio delle infestazioni di Ae. albopictus nei bidoni con copepodi, rispetto al testimone, è del 99,90% e del 100,00% rispettivamente alle dosi iniziali di inoculo di 100 e 500 copepodi/bidone; per Cx. pipiens L. tale percentuale media è risultata di 88,69% e di 84,65%. Similmente, nel 2008 si è osservato ad entrambe le dosi iniziali di inoculo una riduzione di Ae. albopictus del 100,00% e di Cx. pipiens del 73,3%. La dose di inoculo di 100 copepodi per contenitore è risultata sufficiente a garantire un rapido incremento numerico della popolazione che ha raggiunto la massima densità in agosto-settembre e un eccellente controllo delle popolazioni di Ae. albopictus. Prova di efficacia in campo in serbatoi per l’acqua irrigua degli orti La prova è stata condotta a partire dalla metà di agosto 2008 interessando 15 serbatoi di varia foggia e capacità, variabile tra 200 e 600 l, utilizzati per stoccare acqua orti famigliari nel comune di Crevalcore (BO). Ai proprietari dei serbatoi era chiesto di gestire il prelievo dell’acqua e i rifornimenti come da abitudine con l’unica raccomandazione di non svuotarli mai completamente. In 8 contenitori sono stati immessi 100 esemplari di M.albidus e una compressa larvicida a base di Bacillus thuringiensis var. israelensis (B.t.i.); nei restanti 7 è stata soltanto immessa la compressa di B.t.i.. Il campionamento larvale è stato settimanale fino agli inizi di ottobre. Dopo l’introduzione in tutti i serbatoi sono stati ritrovati esemplari di copepodi, nonostante il volume di acqua misurato settimanalmente sia variato da pochi litri, in qualche bidone, fino a valori della massima capacità, per effetto del prelievo e dell’apporto dell’acqua da parte dei gestori degli orti. In post-trattamento sono state osservate differenze significative tra le densità larvali nelle due tesi solo al 22 settembre per Ae.albopictus Tuttavia in termini percentuali la riduzione media di larve di 3a-4a età e pupe nei bidoni con copepodi, rispetto al testimone, è stata de 95,86% per Ae. albopictus e del 73,30% per Cx. pipiens. Prova di efficacia in tombini stradali Sono state condotte due prove in due differenti località, interessando 20 tombini (Marano di Castenaso in provincia di Bologna nel 2007) e 145 tombini (San Carlo in provincia di Ferrara nel 2008), quest’ultimi sottoposti a spurgo e pulizia completa nei precedenti 6 mesi l’inizio della prova. L’introduzione dei copepodi nei tombini è stata fatta all’inizio di luglio nella prova di Marano di Castenaso e alla fine di aprile e giugno in quelli di San Carlo, a dosi di 100 e 50 copepodi/tombino. Prima dell’introduzione dei copepodi e successivamente ogni 2 settimane per due mesi, in ogni tombino veniva campionata la presenza culicidica e dei copepodi con dipper immanicato. Nel 2007 dopo l’introduzione dei copepodi e per tutto il periodo di studio, mediamente soltanto nel 77% dei tombini i copepodi sono sopravvissuti. Nel periodo di prova le precipitazioni sono state scarse e la causa della rarefazione dei copepodi fino alla loro scomparsa in parte dei tombini è pertanto da ricercare non nell’eventuale dilavamento da parte della pioggia, quanto dalle caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua. Tra queste innanzitutto la concentrazione di ossigeno che è sempre stata molto bassa (0÷1,03 mg/l) per tutta la durata del periodo di studio. Inoltre, a questo fattore probabilmente è da aggiungere l’accumulo, a concentrazioni tossiche per M. albidus, di composti organici e chimici dalla degradazione e fermentazione dell’abbondante materiale vegetale (soprattutto foglie) in condizioni di ipossia o anossia. Nel 2008, dopo il primo inoculo di M. albidus la percentuale di tombini che al campionamento presentano copepodi decresce in modo brusco fino a raggiungere il 6% a 2 mesi dall’introduzione dei copepodi. Dopo 40 giorni dalla seconda introduzione, la percentuale di tombini con copepodi è del 6,7%. Nell’esperienza 2008 è le intense precipitazioni hanno avuto probabilmente un ruolo determinante sul mantenimento dei copepodi nei tombini. Nel periodo della prova infatti le piogge sono state frequenti con rovesci in varie occasioni di forte intensità per un totale di 342 mm. Sotto questi livelli di pioggia i tombini sono stati sottoposti a un continuo e probabilmente completo dilavamento che potrebbe aver impedito la colonizzazione stabile dei copepodi. Tuttavia non si osservano influenze significative della pioggia nella riduzione percentuale dei tombini colonizzati da copepodi e ciò fa propendere all’ipotesi che assieme alla pioggia siano anche le caratteristiche fisico-chimiche dell’acqua a impedire una colonizzazione stabile da parte di M. albidus. In definitiva perciò si è dimostrato che i tombini stradali sono ambienti ostili per la sopravvivenza di M. albidus, anche se, dove il ciclopoide si è stabilito permanentemente, ha dimostrato un certo impatto nei confronti di Ae. albopictus e di Cx. pipiens, che tuttavia è risultato non statisticamente significativo all’analisi della varianza. Nei confronti delle larve di Culex pipiens il copepode non permette livelli di controllo soddisfacente, confermando i dati bibliografici. Nei confronti invece di Ae. albopictus la predazione raggiunge buoni livelli; tuttavia ciò non è compensato dalla percentuale molto alta di tombini che, dopo periodi di pioggia copiosa o singoli episodi temporaleschi o per le condizioni di anossia rimangono senza i copepodi. Ciò costringerebbe a ripetute introduzioni di copepodi i cui costi attualmente non sono inferiori a quelli per trattamenti con prodotti larvicidi. In conclusione la ricerca ha portato a considerare Macrocyclops albidus un interessante ausiliario applicabile anche nelle realtà urbane del nostro paese nell’ambito di programmi integrati di contrasto alle infestazioni di Aedes albopictus. Tuttavia il suo utilizzo non si presta a tutti i focolai larvali ma soltanto a raccolte di acqua artificiali di un certo volume come i bidoni utilizzati per stoccare acqua da impiegare per l’orto e il giardino familiare nelle situazioni in cui non è garantita la copertura ermetica, lo svuotamento completo settimanale o l’utilizzo di sostanze ad azione larvozanzaricida.

Models with Plants, Microorganisms and Viruses for Basic Research in Homeopathy

Most criticism about homeopathy concerns the lack of a scientific basis and theoretical models. In order to be accepted as a valid part of medical practice, a wellstructured research strategy for homeopathy is needed. This is often hampered by methodological problems as well as by gross underinvestment in the required academic resources. Fundamental research could make important contributions to our understanding of the homeopathic and high dilutions mechanisms of action. Since the pioneering works of Kolisko on wheat germination (Kolisko, 1923) and Junker on growth of microorganisms (paramecium, yeast, fungi) (Junker, 1928), a number of experiments have been performed either with healthy organisms (various physiological aspects of growth) or with artificially diseased organisms, which may react more markedly to homeopathic treatments than healthy ones. In the latter case, the preliminary stress may be either abiotic, e.g. heavy metals, or biotic, e.g. fungal and viral pathogens or nematode infection. Research has also been carried out into the applicability of homeopathic principles to crop growth and disease control (agrohomeopathy): because of the extreme dilutions used, the environmental impact is low and such treatments are well suited to the holistic approach of sustainable agriculture (Betti et al., 2006). Unfortunately, as Scofield reported in an extensive critical review (Scofield, 1984), there is little firm evidence to support the reliability of the reported results, due to poor experimental methodology and inadequate statistical analysis. Moreover, since there is no agricultural homeopathic pharmacopoeia, much work is required to find suitable remedies, potencies and dose levels.

Functional Diversification of Dicer-like Proteins and Small RNAs Required for Genome Sculpting.

In eukaryotes, small RNAs (sRNAs) have key roles in development, gene expression regulation, and genome integrity maintenance. In ciliates, such as Paramecium, sRNAs form the heart of an epigenetic system that has evolved from core eukaryotic gene silencing components to selectively target DNA for deletion. In Paramecium, somatic genome development from the germline genome accurately eliminates the bulk of typically gene-interrupting, noncoding DNA. We have discovered an sRNA class (internal eliminated sequence [IES] sRNAs [iesRNAs]), arising later during Paramecium development, which originates from and precisely delineates germline DNA (IESs) and complements the initial sRNAs ("scan" RNAs [scnRNAs]) in targeting DNA for elimination. We show that whole-genome duplications have facilitated successive differentiations of Paramecium Dicer-like proteins, leading to cooperation between Dcl2 and Dcl3 to produce scnRNAs and to the production of iesRNAs by Dcl5. These innovations highlight the ability of sRNA systems to acquire capabilities, including those in genome development and integrity.

Genome-wide analysis of genetic and epigenetic control of programmed DNA deletion

During the development of the somatic genome from the Paramecium germline genome the bulk of the copies of ∼45 000 unique, internal eliminated sequences (IESs) are deleted. IES targeting is facilitated by two small RNA (sRNA) classes: scnRNAs, which relay epigenetic information from the parental nucleus to the developing nucleus, and iesRNAs, which are produced and used in the developing nucleus. Why only certain IESs require sRNAs for their removal has been enigmatic. By analyzing the silencing effects of three genes: PGM (responsible for DNA excision), DCL2/3 (scnRNA production) and DCL5 (iesRNA production), we identify key properties required for IES elimination. Based on these results, we propose that, depending on the exact combination of their lengths and end bases, some IESs are less efficiently recognized or excised and have a greater requirement for targeting by scnRNAs and iesRNAs. We suggest that the variation in IES retention following silencing of DCL2/3 is not primarily due to scnRNA density, which is comparatively uniform relative to IES retention, but rather the genetic properties of IESs. Taken together, our analyses demonstrate that in Paramecium the underlying genetic properties of developmentally deleted DNA sequences are essential in determining the sensitivity of these sequences to epigenetic control.

RNA-Guided Genome Editing

Ciliates have evolved highly complex and intricately controlled pathways to ensure the precise and complete removal of all genomic sequences not required for vegetative growth. At the same time, they retain a reference copy of all their genetic information for future generations. This chapter describes how different ciliates use RNA-mediated DNA comparison processes to form new somatic nuclei from germline nuclei. While these processes vary in their precise mechanisms, they all use RNA to target genomic DNA sequences—either for retention or elimination. They also all consist of more than one individual pathway acting cooperatively—the two subsets of small RNAs in Paramecium and the guide RNAs and Piwi-interacting RNAs in Oxytricha—to ensure a strong belt-and-braces approach to consistent and precise somatic nucleus development. Nonetheless, this genome comparison approach to somatic nucleus development provides an elegant method for trans-generational environmental adaptation. Conceptually, it is easy to imagine how somatic changes that occur during vegetative growth could be transferred to meiotic offspring, while an unaltered germline genome is retained. Further research in this area will have far-reaching implications for the trans-generational adaptation of more distantly related eukaryotes, such as humans.

Direct modulation of calmodulin targets by the neuronal calcium sensor NCS-1.

Ca2+ and its ubiquitous intracellular receptor calmodulin (CaM) are required in the nervous system, among a host of cellular responses, for the modulation of several important enzymes and ion channels involved in synaptic efficacy and neuronal plasticity. Here, we report that CaM can be replaced by the neuronal calcium sensor NCS-1 both in vitro and in vivo. NCS-1 is a calcium binding protein with two Ca(2+)-binding domains that shares only 21% of homology with CaM. We observe that NCS-1 directly activates two Ca2+/CaM-dependent enzymes (3':5'-cyclic nucleotide phosphodiesterase and protein phosphatase calcineurin). Co-activation of nitric oxide synthase by NCS-1 and CaM results in a higher activity than with CaM alone. Moreover, NCS-1 is coexpressed with calcineurin and nitric oxide synthase in several neuron populations. Finally, injections of NCS-1 into calmodulin-defective cam1 Paramecium partially restore wildtype behavioral responses. With this highly purified preparation of NCS-1, we have obtained crystals suitable for crystallographic structure studies. NCS-1, despite its very different structure, distribution, and Ca(2+)-binding affinity as compared with CaM, can substitute for or potentiate CaM functions. Therefore, NCS-1 represents a novel protein capable of mediating multiple Ca(2+)-signaling pathways in the nervous system.

Spontaneous avoidance behavior in Drosophila null for calmodulin expression.

The regulatory protein calmodulin is a major mediator of calcium-induced changes in cellular activity. To analyze the roles of calmodulin in an intact animal, we have generated a calmodulin null mutation in Drosophila melanogaster. Maternal calmodulin supports calmodulin null individuals throughout embryogenesis, but they die within 2 days of hatching as first instar larvae. We have detected two pronounced behavioral abnormalities specific to the loss of calmodulin in these larvae. Swinging of the head and anterior body, which occurs in the presence of food, is three times more frequent in the null animals. More strikingly, most locomotion in calmodulin null larvae is spontaneous backward movement. This is in marked contrast to the wild-type situation where backward locomotion is seen only as a stimulus-elicited avoidance response. Our finding of spontaneous avoidance behavior has striking similarities to the enhanced avoidance responses produced by some calmodulin mutations in Paramecium. Thus our results suggest evolutionary conservation of a role for calmodulin in membrane excitability and linked behavioral responses.

The neuromotor apparatus of Paramaecium,

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