Abstract In eukaryotes, the degradation of cellular mRNAs is accomplished by Xrn1p and the cytoplasmic exosome. Because viral RNAs often lack canonical caps or poly-A tails, they can also be vulnerable to degradation by these host exonucleases. Yeast lack sophisticated mechanisms of innate and adaptive immunity, but do use RNA degradation as an antiviral defense mechanism. One model is that the RNA of yeast viruses is subject to degradation simply as a side effect of the intrinsic exonuclease activity of proteins involved in RNA metabolism. Contrary to this model, we find a highly refined, species-specific relationship between Xrn1p and the “L-A” totiviruses of different Saccharomyces yeast species. We show that the gene XRN1 has evolved rapidly under positive natural selection in Saccharomyces yeast, resulting in high levels of Xrn1p protein sequence divergence from one yeast species to the next. We also show that these sequence differences translate to differential interactions with the L-A virus, where Xrn1p from S. cerevisiae is most efficient at controlling the L-A virus that chronically infects S. cerevisiae , and Xrn1p from S. kudriavzevii is most efficient at controlling the L-A-like virus that we have discovered within S. kudriavzevii . All Xrn1p orthologs are equivalent in their interaction with another virus-like parasite, the Ty1 retrotransposon. Thus, the activity of Xrn1p against totiviruses is not simply an incidental consequence of the enzymatic activity of Xrn1p, but rather Xrn1p co-evolves with totiviruses to maintain its potent antiviral activity and limit viral propagation in Saccharomyces yeasts. Consistent with this, we demonstrated that Xrn1p physically interacts with the Gag protein encoded by the L-A virus, suggesting a host-virus interaction that is more complicated than just Xrn1p-mediated nucleolytic digestion of viral RNAs.

Abstract Antifungal resistance in pathogenic fungi is a growing global health concern. Non-pathogenic laboratory strains of Saccharomyces cerevisiae are a useful model for studying mechanisms of antifungal resistance that are relevant to understanding the same processes in pathogenic fungi. We developed a series of lab modules in which high school students used experimental evolution to study antifungal resistance by isolating azole-resistant S. cerevisiae and examining the genetic basis of resistance. All 99 sequenced clones from these experiments possessed mutations previously shown to impact azole resistance, demonstrating the efficacy of our protocols. We additionally found recurrent mutations in an mRNA degradation pathway and an uncharacterized mitochondrial protein (Csf1) that have possible mechanistic connections to azole resistance. The scale of replication in this high school-led initiative allowed us to identify epistatic interactions, as evidenced by pairs of mutations that occur in the same clone more frequently than expected by chance (positive epistasis) or less frequently (negative epistasis). We validated one of these pairs, a negative epistatic interaction between gain-of-function mutations in the multidrug resistance transcription factors Pdr1 and Pdr3. This high school-university collaboration can serve as a model for involving members of the broader public in the scientific process to make meaningful discoveries in biomedical research.

Abstract Secondary fermentation in craft beers by diastatic yeasts can result in undesirable consequences, such as off-flavors, increased alcohol content, gushing, and the explosion of packaging. Currently, there are no strategies for inhibiting diastatic yeasts once they have invaded a commercial brewing process. Many strains of yeasts can naturally produce “killer” toxins that inhibit the growth of competing yeasts. Testing the effectiveness of canonical toxins against diastatic yeasts revealed that most (90%) strains are susceptible to the K1 killer toxin. Only two diastatic strains’ resistance to killer toxins was due to toxin production and associated immunity. Four diastatic strains resistant to K1 and K2 toxins were screened against a library of 192 novel killer yeasts to discover novel antifungal activities. This identified novel K2 killer yeasts that were more potent at inhibiting diastatic yeasts than the canonical killer yeast. As proof-of-principle for the control of diastatic yeasts during fermentation, killer yeasts were found to be effective at inhibiting hyperattenuation after a simulated diastatic contamination in a 1,000-liter industrial-style fermentation.

Abstract Killer toxins are extracellular antifungal proteins that are produced by a wide variety of fungi, including Saccharomyces yeasts. Although many Saccharomyces killer toxins have been previously identified, their evolutionary origins remain uncertain given that many of the se genes have been mobilized by double-stranded RNA (dsRNA) viruses. A survey of yeasts from the Saccharomyces genus has identified a novel killer toxin with a unique spectrum of activity produced by Saccharomyces paradoxus . The expression of this novel killer toxin is associated with the presence of a dsRNA totivirus and a satellite dsRNA. Genetic sequencing of the satellite dsRNA confirmed that it encodes a killer toxin with homology to the canonical ionophoric K1 toxin from Saccharomyces cerevisiae and has been named K1-like (K1L). Genomic homologs of K1L were identified in six non- Saccharomyces yeast species of the Saccharomycotina subphylum, predominantly in subtelomeric regions of the yeast genome. The sporadic distribution of these genes supports their acquisition by horizontal gene transfer followed by diversification, with evidence of gene amplification and positive natural selection. When ectopically expressed in S. cerevisiae from cloned cDNAs, both K1L and its homologs can inhibit the growth of competing yeast species, confirming the discovery of a new family of biologically active killer toxins. The phylogenetic relationship between K1L and its homologs suggests gene flow via dsRNAs and DNAs across taxonomic divisions to enable the acquisition of a diverse arsenal of killer toxins for use in niche competition.

Yeasts serve as long-term hosts to several types of genetic parasites. Few studies have addressed the evolutionary trajectory of yeast genes that control the stable co-existence of these parasites with their host cell. In Saccharomyces yeasts, the retrovirus-like Ty retrotransposons must access the nucleus. We show that several genes encoding components of the yeast nuclear pore complex have experienced natural selection for substitutions that change the encoded protein sequence. By replacing these S. cerevisiae genes with orthologs from other Saccharomyces species, we discovered that natural sequence changes have affected the control of Ty retrotransposons. Specifically, changing the genetic sequence of NUP84 or NUP82 to what is found in other Saccharomyces species alters the retrotransposition of S. cerevisiae Ty1 and Ty3, respectively. Importantly, all tested housekeeping functions of NUP84 and NUP82 remained equivalent across species. The nuclear pore complex is the gatekeeper of the nucleus. It appears that nucleoporins are adapting to modulate the control of genetic parasites which access the nucleus, which is achieved despite the strict constraints imposed by host nuclear pore complex function.

Abstract The use of enzymes represents an approach to combat bacterial infections by degrading extracellular biomolecules to disperse Staphylococcus aureus biofilms. Commercial enzyme preparations, including cellulase, amylase, pectinase, zymolyase, and pepsin, exhibit concentration-dependent dispersion of S. aureus biofilms. Here, we report that low concentrations of these enzymes generally lack synergy when combined or added together sequentially to biofilms. Only the addition of a protease (pepsin) followed by a commercial mixture of degradative enzymes from Arthrobacter luteus (zymolyase 20T), demonstrated synergy and was effective at dispersing S. aureus biofilms. A more purified mixture of Arthrobacter luteus enzymes (zymolyase 100T) showed improved dispersal of S. aureus biofilms compared to zymolyase 20T but lacked synergy with pepsin. This study emphasizes the complexity of enzymatic biofilm dispersal and the need for tailored approaches based on the properties of degradative enzymes and biofilm composition.

Abstract The ubiquitous DNA repair protein, Ku70p, has undergone extensive copy number expansion during primate evolution. Gene duplications of KU70 have the hallmark of long interspersed element-1 (LINE-1) mediated retrotransposition with evidence of target-site duplications, the poly-A tails, and the absence of introns. Evolutionary analysis of this expanded family of KU70 -derived “ NUKU ” retrogenes reveals that these genes are both ancient and also actively being created in extant primate species. NUKU retrogenes show evidence of functional divergence away from KU70 , as evinced by their altered pattern of tissue expression and possible translation in the human testes. Molecular modeling predicted that mutations in Nuku2p at the interaction interface with Ku80p would prevent the assembly of the Ku heterodimer. The lack of Nuku2p-Ku80p interaction was confirmed by yeast two-hybrid assay, which contrasts the robust interaction of Ku70p-Ku80p. While several NUKU retrogenes appear to have been degraded by mutation, NUKU2 shows evidence of positive natural selection, suggesting that this retrogene is undergoing neofunctionalization. Although Nuku proteins do not appear to antagonize retroviruses in cell culture, the observed expansion and rapid evolution of NUKUs could be being driven by alternative selective pressures related to infectious disease or an undefined role in primate physiology.

Abstract Plasmids play a major role in bacterial evolution and rapid adaptation by facilitating the horizontal transfer of diverse genes. Understanding how plasmids are transferred and maintained in bacterial populations is important, especially given the increasing plasmid-mediated spread of antibiotic-resistance genes to human pathogens. We investigated why broad-host range plasmid pBP136, originally isolated from clinical samples of Bordetella pertussis, quickly became extinct in laboratory Escherichia coli populations. We found that the inactivation of a previously uncharacterized plasmid gene, upf31 , drastically improved long-term maintenance of the plasmid in E. coli . Loss of this single gene was associated with decreased transcription of numerous genes in the plasmid korA , korB and korC regulons, as well as changes in many chromosomal genes primarily related to metabolism. This change in transcriptome is likely initiated by Upf31 interacting with one of these major plasmid regulators, KorB. Expression of upf31 in trans not only negatively affected the persistence of a pBP136 upf31 deletion mutant, but also of the closely related archetype IncPβ plasmid R751, which is stable in E. coli and natively encodes an internally truncated upf31 allele. This suggests that whereas the upf31 allele in pBP136 might advantageously modulate gene expression in its original host, B. pertussis , the same function can have harmful effects in E. coli . Thus, using multiple hosts to study the effects of knockouts in broad-host-range plasmid genes of unknown function may reveal unexpected mechanisms that determine the fate of that plasmid in bacterial communities.

The Human Immunodeficiency Virus type 1 (HIV-1) accessory protein Vpr enhances viral replication in both macrophages and in cycling T cells to a lesser extent. Virion packaged Vpr is released in target cells shortly after entry, suggesting its requirement in the early phase of infection. Previously, we described REAF (RNA-associated Early-stage Antiviral Factor, RPRD2), a constitutively expressed protein that potently restricts HIV replication at or during reverse transcription. Here, we show that a virus without intact vpr is more highly restricted by REAF and, using delivery by VLPs, that Vpr alone is sufficient for REAF degradation in primary macrophages. REAF is more highly expressed in macrophages than in cycling T cells and we detect, by co-immunoprecipitation assay, an interaction between Vpr protein and endogenous REAF. Vpr acts very quickly during the early phase of replication and induces the degradation of REAF within 30 minutes of viral entry. Using Vpr F34I and Q65R viral mutants, we show that nuclear localisation and interaction with cullin4A-DBB1 (DCAF1) E3 ubiquitin ligase is required for REAF degradation by Vpr. In response to infection, cells upregulate REAF levels. This response is curtailed in the presence of Vpr. These findings support the hypothesis that Vpr induces the degradation of a factor, REAF, which impedes HIV infection in macrophages.Importance For at least 30 years, it has been known that HIV-1 Vpr, a protein carried in the virion, is important for efficient infection of primary macrophages. Vpr is also a determinant of the pathogenic effects of HIV-1 in vivo . A number of cellular proteins that interact with Vpr have been identified. So far, it has not been possible to associate these proteins with altered viral replication in macrophages, or to explain why Vpr is carried in the virus particle. Here we show that Vpr mitigates the antiviral effects of REAF, a protein highly expressed in primary macrophages and one which inhibits virus replication early during reverse transcription. REAF is degraded by Vpr within 30 minutes of virus entry, in a manner dependent on the nuclear localization of Vpr and its interaction with the cell’s protein degradation machinery.

Abstract The interaction between the HIV-1 capsid (CA) and human nucleoporin 153 (NUP153) is vital for delivering the HIV-1 preintegration complex into the nucleus via the nuclear pore complex. The interaction with CA requires a phenylalanine/glycine-containing motif in the C-terminus of NUP153. This study used molecular modeling and biochemical assays to determine the amino acids of NUP153 that are essential for its interactions with CA. Molecular dynamics, FoldX, and PyRosetta simulations delineated the minimal CA binding motif of NUP153 based on the known structure of NUP153 bound to the HIV-1 CA hexamer. Computational predictions were experimentally validated by testing the interaction of NUP153 with CA using an in vitro binding assay and a cell-based TRIM-NUP153C restriction assay. This multidisciplinary approach identified eight amino acids from P1411 to G1418 that stably engage with CA, with significant correlations between molecular models and empirical experiments. Specifically, P1411, V1414, F1415, T1416, F1417, and G1418 were confirmed as critical amino acids required to interact NUP153 with CA. IMPORTANCE Human immunodeficiency virus (HIV) can infect non-dividing cells by interacting with host nuclear pores. The host nuclear pore protein NUP153 directly interacts with the HIV capsid to promote viral nuclear entry. This study used a multidisciplinary approach combining computational and experimental techniques to map the essential amino acids of NUP153 required for HIV capsid interaction. This approach revealed that the HIV capsid interacts specifically with only six amino acids of NUP153, suggesting other FG-containing motifs could also interact with the capsid. Based on molecular modeling, naturally occurring polymorphisms in human and non-human primates would be predicted to prevent NUP153 interaction with capsid, potentially protecting from HIV infection.