With the development of next-generation sequencing technologies, many large scale experimental efforts aim to map genotypic variability among individuals. This natural variability in populations fuels many fundamental biological processes, ranging from evolutionary adaptation and speciation to the spread of genetic diseases and drug resistance. An interesting and important component of this variability is present within the regulatory regions of genes. As these regions evolve, accumulated mutations lead to modulation of gene expression, which may have consequences for the phenotype. A simple model system where the link between genetic variability, gene regulation and function can be studied in detail is missing. In this article we develop a model to explore how the sequence of the wild-type lac promoter dictates the fold change in gene expression. The model combines single-base pair resolution maps of transcription factor and RNA polymerase binding energies with a comprehensive thermodynamic model of gene regulation. The model was validated by predicting and then measuring the variability of lac operon regulation in a collection of natural isolates. We then implement the model to analyze the sensitivity of the promoter sequence to the regulatory output, and predict the potential for regulation to evolve due to point mutations in the promoter region.

The chronological lifespan of budding yeast is a model of aging and age-related diseases. This paradigm has recently allowed genome-wide screening of genetic factors underlying post-mitotic viability in a simple unicellular system, which underscores its potential to provide a comprehensive view of the aging process. However, results from different large-scale studies show little overlap and typically lack quantitative resolution to derive interactions among different aging factors. We previously introduced a sensitive, parallelizable approach to measure the chronological-lifespan effects of gene deletions based on the competitive aging of fluorescence-labeled strains. Here, we present a thorough description of the method, including an improved multiple-regression model to estimate the association between death rates and fluorescent signals, which accounts for possible differences in growth rate and experimental batch effects. We illustrate the experimental procedure—from data acquisition to calculation of relative survivorship—for ten deletion strains with known lifespan phenotypes, which is achieved with high technical replicability. We apply our method to screen for gene-drug interactions in an array of yeast deletion strains, which reveals a functional link between protein glycosylation and lifespan extension by metformin. Competitive-aging screening coupled to multiple-regression modeling provides a powerful, straight-forward way to identify aging factors in yeast and their interactions with pharmacological interventions.

Dietary restriction is arguably the most promising non-pharmacological intervention to extend human life and health span. Yet, only few genetic regulators mediating the cellular response to dietary restriction are known, and the question remains which other transcription factors and regulatory pathways are involved. To gain a comprehensive view of how lifespan extension under dietary restriction is elicited, we screened the chronological lifespan of most gene deletions of Saccharomyces cerevisiae under two dietary regimens, restricted and non-restricted. We identified 472 mutants with enhanced or diminished extension of lifespan by dietary restriction. Functional analysis of such dietary-restriction genes revealed novel processes underlying longevity specifically by dietary restriction. Importantly, this set of genes allowed us to generate a prioritized catalogue of transcription factors orchestrating the dietary-restriction response, which underscored the relevance of cell-cycle arrest control as a key mechanism of chronological longevity in yeast. We show that the transcription factor Ste12 is needed for full lifespan extension and cell-cycle arrest in response to nutrient limitation; linking the pheromone/invasive growth pathway with cell survivorship. Strikingly, STE12 overexpression was sufficient to extend chronological lifespan under non-restricted conditions. Our global picture of the genetic players of longevity by dietary restriction highlights intricate regulatory cross-talks in aging cells.

A single gene can partake in several biological processes, and therefore gene deletions can lead to different--sometimes unexpected--phenotypes. However, it is not always clear whether such pleiotropy reflects the loss of a unique molecular activity involved in different processes or the loss of a multifunctional protein. Here, using Saccharomyces cerevisiae metabolism as a model, we systematically test the null hypothesis that enzyme phenotypes depend on a single annotated molecular function, namely their catalysis. We screened a set of carefully selected genes by quantifying the contribution of catalysis to gene-deletion phenotypes under different environmental conditions. While most phenotypes were explained by loss of catalysis, 30% could be readily complemented by a catalytically-inactive enzyme. Such non-catalytic phenotypes were frequent in the Alt1 and Bat2 transaminases and in the isoleucine/valine-biosynthetic enzymes Ilv1 and Ilv2, suggesting novel "moonlighting" activities in these proteins. Furthermore, differential genetic-interaction profiles of gene-deletion and catalytic mutants indicated that ILV1 is functionally associated to regulatory processes, specifically to chromatin modification. Our systematic study shows that gene-loss phenotypes and their genetic interactions are frequently not driven by the loss of an annotated catalytic function, underscoring the moonlighting nature of cellular metabolism.

ABSTRACT Yeasts are a diverse group of fungal microorganisms that are widely used to produce fermented foods and beverages. In Mexico, open fermentations are used to obtain spirits from agave plants. Despite the prevalence of this traditional practice throughout the country, yeasts have only been isolated and studied from a limited number of distilleries. To systematically describe the diversity of yeast species from open agave fermentations, here we generate the YMX.1.0 culture collection by isolating 4,524 strains from 68 sites in diverse climatic, geographical, and biological contexts. We used MALDI-TOF mass spectrometry for taxonomic classification and a subset of the strains was verified by ITS and D1/D2 sequencing. The most abundant species isolated from all producing regions were Saccharomyces cerevisiae , Pichia kudriavzevii , Pichia manshurica , and Kluyveromyces marxianus . Despite the great diversity of environmental conditions and production practices the composition of yeast communities remained largely homogeneous throughout locations and fermentation stages, even if less abundant but commonly occurring yeasts were considered. Furthermore, ITS and D1/D2 sequencing revealed two candidate new species of Saccharomycetales. To explore the intraspecific variation of the yeasts from agave fermentations, we conducted genome sequencing on four isolates of the non-conventional yeast Kazachstania humilis . The genomes of these four strains were considerably distinct from other genomes of the same species, suggesting that they belong to a different population. Our work contributes to the understanding and conservation of an open fermentation system of great cultural and economic importance, providing a valuable resource to study the biology and genetic diversity of microorganisms living at the interface of natural and human-associated environments. TAKE AWAY We isolated and identified 4,524 yeast strains from open agave fermentations in Mexico. Yeast communities remained largely homogeneous throughout diverse locations. Kazachstania humilis genomes differed significantly from isolates in other regions of the world. We report two candidate new species related to the Pichia clade.

ABSTRACT Subtelomeric gene silencing is the negative transcriptional regulation of genes located close to telomeres. This phenomenon occurs in a variety of eukaryotes with salient physiological implications, such as cell adherence, virulence, immune-system escape, and aging. The process has been widely studied in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae , where genes involved in this process have been identified mostly on a gene-by-gene basis. Here, we introduce a quantitative approach to study subtelomeric gene silencing, that couples the classical URA3 reporter with GFP monitoring, amenable to high-throughput flow cytometry analysis. This reporter was integrated into several subtelomeric loci in the genome, where it showed a gradual range of silencing effects. By crossing strains with this dual reporter at the COS12 and YFR057W subtelomeric query loci with gene-deletion mutants, we carried out a genome-wide, comprehensive screen for subtelomeric-silencing factors. The approach was replicable and allowed detection of expression changes caused by previously described silencing factors. We also identified new molecular players affecting this process, most of which are related to functions underlying chromatin conformation. This was the case of LGE1 , a novel silencing factor herein reported, associated with histone ubiquitination. Our strategy can be readily combined with other reporters and gene perturbation collections, making it a versatile tool to study gene silencing at a genome-wide scale.

Abstract Gene duplication is ubiquitous and a major driver of phenotypic diversity across the tree of life, but its immediate consequences are not fully understood. Deleterious effects would decrease the probability of retention of duplicates and prevent their contribution to long term evolution. One possible detrimental effect of duplication is the perturbation of the stoichiometry of protein complexes. Here, we measured the fitness effects of the duplication of 899 essential genes in the budding yeast using high-resolution competition assays. At least ten percent of genes caused a fitness disadvantage when duplicated. Intriguingly, the duplication of most protein complex subunits had small to non-detectable effects on fitness, with few exceptions. We selected four complexes with subunits that had an impact on fitness when duplicated and measured the impact of individual gene duplications on their protein-protein interactions. We found that very few duplications affect both fitness and interactions. Furthermore, large complexes such as the 26S proteasome are protected from gene duplication by attenuation of protein abundance. Regulatory mechanisms that maintain the stoichiometric balance of protein complexes may protect from the immediate effects of gene duplication. Our results show that a better understanding of protein regulation and assembly in complexes is required for the refinement of current models of gene duplication.

ABSTRACT The production of traditional agave spirits in Mexico is a deeply rooted traditional process that relies on environmental microorganisms to ferment the cooked must from agave plants. Analysis of these microorganisms provides the opportunity to understand the dynamics of the microbial communities in the interface of natural and human-associated environments in a biologically and culturally rich region of the world. Here, we performed 16S and ITS amplicon sequencing of close to 100 fermentation tanks from 42 distilleries throughout Mexico. The Agave species used, production practices, climatic conditions, and biogeographic characteristics varied considerably among sites. Yet, we did find taxa present in most fermentations suggesting that there is a core of microorganisms that are hallmarks of these communities. These core taxa are represented by hundreds of OTUs showing large intra-specific variation. The only variable that was consistently associated with the composition of both bacterial and fungal communities was the distillery, suggesting that microbial composition is determined by the local production practices and unique attributes of each site. Fermentation stage, climate and producing region were also associated with the community composition, but only for prokaryotes. Analysis of microbial composition in several tanks within three distilleries also revealed taxa that were enriched in specific fermentation stages or agave species. Our work provides a comprehensive analysis of the microbiome of agave fermentations, contributing key knowledge for its management and conservation.