Abstract Haploinsufficiency is defined as a dominant phenotype in diploid organisms that are heterozygous for a loss-of-function allele. Despite its relevance to human disease, neither the extent of haploinsufficiency nor its precise molecular mechanisms are well understood. We used the complete set of Saccharomyces cerevisiae heterozygous deletion strains to survey the genome for haploinsufficiency via fitness profiling in rich (YPD) and minimal media to identify all genes that confer a haploinsufficient growth defect. This assay revealed that ∼3% of all ∼5900 genes tested are haploinsufficient for growth in YPD. This class of genes is functionally enriched for metabolic processes carried out by molecular complexes such as the ribosome. Much of the haploinsufficiency in YPD is alleviated by slowing the growth rate of each strain in minimal media, suggesting that certain gene products are rate limiting for growth only in YPD. Overall, our results suggest that the primary mechanism of haploinsufficiency in yeast is due to insufficient protein production. We discuss the relevance of our findings in yeast to human haploinsufficiency disorders.

One-third of all protein-coding genes from bacterial genomes cannot be annotated with a function. Here, to investigate the functions of these genes, we present genome-wide mutant fitness data from 32 diverse bacteria across dozens of growth conditions. We identified mutant phenotypes for 11,779 protein-coding genes that had not been annotated with a specific function. Many genes could be associated with a specific condition because the gene affected fitness only in that condition, or with another gene in the same bacterium because they had similar mutant phenotypes. Of the poorly annotated genes, 2,316 had associations that have high confidence because they are conserved in other bacteria. By combining these conserved associations with comparative genomics, we identified putative DNA repair proteins; in addition, we propose specific functions for poorly annotated enzymes and transporters and for uncharacterized protein families. Our study demonstrates the scalability of microbial genetics and its utility for improving gene annotations. A large-scale mutagenesis screen identifies mutant phenotypes for over 11,000 protein-coding genes in bacteria that had previously not been assigned a specific function.

A comprehensive understanding of the cellular functions of the Hsp90 molecular chaperone has remained elusive. Although Hsp90 is essential, highly abundant under normal conditions, and further induced by environmental stress, only a limited number of Hsp90 "clients" have been identified. To define Hsp90 function, a panel of genome-wide chemical-genetic screens in Saccharomyces cerevisiae were combined with bioinformatic analyses. This approach identified several unanticipated functions of Hsp90 under normal conditions and in response to stress. Under normal growth conditions, Hsp90 plays a major role in various aspects of the secretory pathway and cellular transport; during environmental stress, Hsp90 is required for the cell cycle, meiosis, and cytokinesis. Importantly, biochemical and cell biological analyses validated several of these Hsp90-dependent functions, highlighting the potential of our integrated global approach to uncover chaperone functions in the cell.

Transposon mutagenesis with next-generation sequencing (TnSeq) is a powerful approach to annotate gene function in bacteria, but existing protocols for TnSeq require laborious preparation of every sample before sequencing. Thus, the existing protocols are not amenable to the throughput necessary to identify phenotypes and functions for the majority of genes in diverse bacteria. Here, we present a method, random bar code transposon-site sequencing (RB-TnSeq), which increases the throughput of mutant fitness profiling by incorporating random DNA bar codes into Tn5 and mariner transposons and by using bar code sequencing (BarSeq) to assay mutant fitness. RB-TnSeq can be used with any transposon, and TnSeq is performed once per organism instead of once per sample. Each BarSeq assay requires only a simple PCR, and 48 to 96 samples can be sequenced on one lane of an Illumina HiSeq system. We demonstrate the reproducibility and biological significance of RB-TnSeq with Escherichia coli, Phaeobacter inhibens, Pseudomonas stutzeri, Shewanella amazonensis, and Shewanella oneidensis. To demonstrate the increased throughput of RB-TnSeq, we performed 387 successful genome-wide mutant fitness assays representing 130 different bacterium-carbon source combinations and identified 5,196 genes with significant phenotypes across the five bacteria. In P. inhibens, we used our mutant fitness data to identify genes important for the utilization of diverse carbon substrates, including a putative d-mannose isomerase that is required for mannitol catabolism. RB-TnSeq will enable the cost-effective functional annotation of diverse bacteria using mutant fitness profiling.A large challenge in microbiology is the functional assessment of the millions of uncharacterized genes identified by genome sequencing. Transposon mutagenesis coupled to next-generation sequencing (TnSeq) is a powerful approach to assign phenotypes and functions to genes. However, the current strategies for TnSeq are too laborious to be applied to hundreds of experimental conditions across multiple bacteria. Here, we describe an approach, random bar code transposon-site sequencing (RB-TnSeq), which greatly simplifies the measurement of gene fitness by using bar code sequencing (BarSeq) to monitor the abundance of mutants. We performed 387 genome-wide fitness assays across five bacteria and identified phenotypes for over 5,000 genes. RB-TnSeq can be applied to diverse bacteria and is a powerful tool to annotate uncharacterized genes using phenotype data.

XCMS Online (xcmsonline.scripps.edu) is a cloud-based informatic platform designed to process and visualize mass-spectrometry-based, untargeted metabolomic data. Initially, the platform was developed for two-group comparisons to match the independent, "control" versus "disease" experimental design. Here, we introduce an enhanced XCMS Online interface that enables users to perform dependent (paired) two-group comparisons, meta-analysis, and multigroup comparisons, with comprehensive statistical output and interactive visualization tools. Newly incorporated statistical tests cover a wide array of univariate analyses. Multigroup comparison allows for the identification of differentially expressed metabolite features across multiple classes of data while higher order meta-analysis facilitates the identification of shared metabolic patterns across multiple two-group comparisons. Given the complexity of these data sets, we have developed an interactive platform where users can monitor the statistical output of univariate (cloud plots) and multivariate (PCA plots) data analysis in real time by adjusting the threshold and range of various parameters. On the interactive cloud plot, metabolite features can be filtered out by their significance level (p-value), fold change, mass-to-charge ratio, retention time, and intensity. The variation pattern of each feature can be visualized on both extracted-ion chromatograms and box plots. The interactive principal component analysis includes scores, loadings, and scree plots that can be adjusted depending on scaling criteria. The utility of XCMS functionalities is demonstrated through the metabolomic analysis of bacterial stress response and the comparison of lymphoblastic leukemia cell lines.

DNA methylation acts in concert with restriction enzymes to protect the integrity of prokaryotic genomes. Studies in a limited number of organisms suggest that methylation also contributes to prokaryotic genome regulation, but the prevalence and properties of such non-restriction-associated methylation systems remain poorly understood. Here, we used single molecule, real-time sequencing to map DNA modifications including m6A, m4C, and m5C across the genomes of 230 diverse bacterial and archaeal species. We observed DNA methylation in nearly all (93%) organisms examined, and identified a total of 834 distinct reproducibly methylated motifs. This data enabled annotation of the DNA binding specificities of 620 DNA Methyltransferases (MTases), doubling known specificities for previously hard to study Type I, IIG and III MTases, and revealing their extraordinary diversity. Strikingly, 48% of organisms harbor active Type II MTases with no apparent cognate restriction enzyme. These active 'orphan' MTases are present in diverse bacterial and archaeal phyla and show motif specificities and methylation patterns consistent with functions in gene regulation and DNA replication. Our results reveal the pervasive presence of DNA methylation throughout the prokaryotic kingdoms, as well as the diversity of sequence specificities and potential functions of DNA methylation systems.

Nitrate is an inhibitor of sulfate-reducing bacteria (SRB). In petroleum production sites, amendments of nitrate and nitrite are used to prevent SRB production of sulfide that causes souring of oil wells. A better understanding of nitrate stress responses in the model SRB, Desulfovibrio vulgaris Hildenborough and Desulfovibrio alaskensis G20, will strengthen predictions of environmental outcomes. Nitrate inhibition of SRB has historically been considered to result from the generation of small amounts of nitrite, to which SRB are quite sensitive. Here we explored the possibility that nitrate might inhibit SRB by a mechanism other than through nitrite inhibition. We found that nitrate-stressed D. vulgaris cultures grown in lactate-sulfate conditions eventually grew in the presence of high concentrations of nitrate, and their resistance continued through several subcultures. Nitrate consumption was not detected over the course of the experiment, suggesting adaptation to nitrate. With high-throughput genetic approaches employing TnLE-seq for D. vulgaris and a pooled mutant library of D. alaskensis, we determined the fitness of many transposon mutants of both organisms in nitrate stress conditions. We found that several mutants, including homologs present in both strains, had a greatly increased ability to grow in the presence of nitrate but not nitrite. The mutated genes conferring nitrate resistance included the gene encoding the putative Rex transcriptional regulator (DVU0916/Dde_2702), as well as a cluster of genes (DVU0251-DVU0245/Dde_0597-Dde_0605) that is poorly annotated. Follow-up studies with individual D. vulgaris transposon and deletion mutants confirmed high-throughput results. We conclude that, in D. vulgaris and D. alaskensis, nitrate resistance in wild-type cultures is likely conferred by spontaneous mutations. Furthermore, the mechanisms that confer nitrate resistance may be different from those that confer nitrite resistance.

Tailocins are bactericidal protein complexes produced by a wide variety of bacteria that kill closely related strains and may play a role in microbial community structure. Thanks to their high specificity, tailocins have been proposed as precision antibacterial agents for therapeutic applications. Compared to tailed phages, with whom they share an evolutionary and morphological relationship, bacterially produced tailocins kill their host upon production but producing strains display resistance to self-intoxication. Though lipopolysaccharide (LPS) has been shown to act as a receptor for tailocins, the breadth of factors involved in tailocin sensitivity, and the mechanisms behind resistance to self-intoxication, remain unclear. Here, we employed genome-wide screens in four non-model pseudomonads to identify mutants with altered fitness in the presence of tailocins produced by closely related pseudomonads. Our mutant screens identified O-antigen composition and display as most important in defining sensitivity to our tailocins. In addition, the screens suggest LPS thinning as a mechanism by which resistant strains can become more sensitive to tailocins. We validate many of these novel findings, and extend these observations of tailocin sensitivity to 130 genome-sequenced pseudomonads. This work offers insights into tailocin-bacteria interactions, informing the potential use of tailocins in microbiome manipulation and antibacterial therapy.