Abstract Horizontal gene transfer is an important factor in bacterial evolution that can act across species boundaries. Yet, we know little about rate and genomic targets of cross-lineage gene transfer, and about its effects on the recipient organism’s physiology and fitness. Here, we address these questions in a parallel evolution experiment with two Bacillus subtilis lineages of 7% sequence divergence. We observe rapid evolution of hybrid organisms: gene transfer swaps ~12% of the core genome in just 200 generations, and 60% of core genes are replaced in at least one population. By genomics, transcriptomics, fitness assays, and statistical modeling, we show that transfer generates adaptive evolution and functional alterations in hybrids. Specifically, our experiments reveal a strong, repeatable fitness increase of evolved populations in the stationary growth phase. By genomic analysis of the transfer statistics across replicate populations, we infer that selection on HGT has a broad genetic basis: 40% of the observed transfers are adaptive. At the level of functional gene networks, we find signatures of negative and positive selection, consistent with hybrid incompatibilities and adaptive evolution of network functions. Our results suggest that gene transfer navigates a complex cross-lineage fitness landscape, bridging epistatic barriers along multiple high-fitness paths. Significance statement In a parallel evolution experiment, we probe lateral gene transfer between two Bacillus subtilis lineages close to the species boundary. We show that laboratory evolution by horizontal gene transfer can rapidly generate hybrid organisms with broad genomic and functional alterations. By combining genomics, transcriptomics, fitness assays and statistical modeling, we map the selective effects underlying gene transfer. We show that transfer takes place under genome-wide positive and negative selection, generating a net fitness increase in hybrids. The evolutionary dynamics efficiently navigates this fitness landscape, finding viable paths with increasing fraction of transferred genes.

ABSTRACT Microtubules, polymers of alpha- and beta-tubulin, are essential cellular components. When microtubule polymerization is hindered, cells are delayed in mitosis, but eventually they manage to proliferate with massive chromosome missegregation. Several studies have analyzed the first cell division upon microtubules impairing conditions. Here, we asked how cells cope on the long term. Taking advantage of mutations in beta-tubulin, we evolved in the lab for ∼150 generations 24 populations of yeast cells unable to properly polymerize microtubules. At the end of the evolution experiment, cells re-gained the ability to form microtubules, and were less sensitive to microtubule depolymerizing drugs. Whole genome sequencing allowed us to identify genes recurrently mutated (tubulins and kinesins) as well as the pervasive duplication of chromosome VIII. We confirmed that mutations found in these genes and disomy of chromosome VIII allow cells to compensate for the original mutation in beta-tubulin. The mutations we identified were mostly gain-of-function, likely re-allowing the proper use of the mutated form of beta-tubulin. When we analyzed the temporal order of mutations leading to resistance in independent populations, we observed multiple times the same series of events: disomy of chromosome VIII followed by one additional adaptive mutation in either tubulins or kinesins. Analyzing the epistatic interactions among different mutations, we observed that some mutations benefited from the disomy of chromosome VIII and others did not. Given that tubulins are highly conserved among eukaryotes, our results are potentially relevant for understanding the emergence of resistance to drugs targeting microtubules, widely used for cancer treatment.

Abstract The early development of aneuploidy from an accidental chromosome missegregation shows contrasting effects. On the one hand, it is associated to significant cellular stress and decreased fitness. On the other hand, it often carries a beneficial effect and provides a quick (but typically transient) solution to external stress. These apparently controversial trends emerge in several experimental contexts, particularly in the presence of duplicated chromosomes. However, we lack a mathematical evolutionary modeling framework that comprehensively captures these trends from the mutational dynamics and the trade-offs involved in the early stages of aneuploidy. Here, focusing on chromosome gains, we address this point by introducing a fitness model where a fitness cost of chromosome duplications is contrasted by a fitness advantage from the dosage of specific genes. The model successfully captures the experimentally measured probability of emergence of extra chromosomes in a laboratory evolution setup. Additionally, using phenotypic data collected in rich media, we explored the fitness landscape, finding evidence supporting the existence of a per-gene cost of extra chromosomes. Finally, we show that the substitution dynamics of our model, evaluated in the empirical fitness landscape, explains the relative abundance of duplicated chromosomes observed in yeast population genomics data. These findings lay a firm framework for the understanding of the establishment of newly duplicated chromosomes, providing testable quantitative predictions for future observations.

Abstract DNA sequence mutability in tumors with chromosomal instability is conventionally believed to remain uniform, constant, and low, based on the assumption that further mutational accrual in a context of marked aneuploidy is evolutionarily disadvantageous. However, this concept lacks robust experimental verification. We adapted the principles of mutation accumulation experiments, traditionally performed in lower organisms, to clonal populations of patient-derived tumoroids and empirically measured the spontaneous rates of accumulation of new DNA sequence variations in seven chromosomally unstable, microsatellite stable colorectal cancers (CRCs) and one microsatellite unstable CRC. Our findings revealed heterogeneous mutation rates (MRs) across different tumors, with variations in magnitude within microsatellite stable tumors as prominent as those distinguishing them from microsatellite unstable tumors. Moreover, comparative assessment of microsatellite stable primary tumors and matched synchronous metastases consistently documented a pattern of MR intensification during tumor progression. Therefore, wide-range diversity and progression-associated evolvability of DNA sequence mutational instability emerge as unforeseen hallmarks of microsatellite stable CRC, complementing karyotype alterations as selectable traits to increase genetic variation. One sentence summary Tumors with chromosomal instability accrue DNA sequence mutations at highly variable rates, which increase during metastatic progression.

Abstract The horizontal transfer of genes is fundamental for the eco-evolutionary dynamics of microbial communities, such as oceanic plankton, soil, and the human microbiome. In the case of an acquired beneficial gene, classic population genetics would predict a genome-wide selective sweep, whereby the genome spreads clonally with the gene, removing genome diversity. Instead, several sources of metagenomic data show the existence of “gene-specific sweeps”, whereby a beneficial gene spreads across a bacterial community, maintaining genome diversity. Several hypotheses have been proposed to explain this process, including the decreasing gene flow between ecologically distant populations, frequency-dependent selection from linked deleterious allelles, and very high rates of horizontal gene transfer. Here, we propose an additional possible scenario grounded in eco-evolutionary principles. Specifically, we show by a mathematical model and simulations that a metacommunity where species can occupy multiple patches helps maintain genome diversity. Assuming a scenario of patches dominated by single species, our model predicts that diversity only decreases moderately upon the arrival of a new beneficial gene, and that losses in diversity can be quickly restored. We explore the generic behavior of diversity as a function of three key parameters, frequency of insertion of new beneficial genes, migration rates and horizontal transfer rates.Our results provides a testable explanation for how diversity can be maintained given gene-specific sweeps even in the absence of high horizontal gene transfer rates.

Abstract Compelling evidence shows that cancer persister cells limit the efficacy of targeted therapies. However, it is unclear whether persister cells are induced by anticancer drugs, and if their mutation rate quantitatively increases during treatment. Here, combining experimental characterization and mathematical modeling, we show that, in colorectal cancer, persisters are induced by drug treatment and show a 7- to 50-fold increase of mutation rate when exposed to clinically approved targeted therapies. These findings reveal that treatment may influence persistence and mutability in cancer cells and pinpoints new strategies to restrict tumor recurrence.

Abstract Biological systems have evolved to amazingly complex states, yet we do not understand in general how evolution operates to generate increasing genetic and functional complexity. Molecular recognition sites are short genome segments or peptides binding a cognate recognition target of sufficient sequence similarity. Such sites are simple, ubiquitous modules of sequence information, cellular function, and evolution. Here we show that recognition sites, if coupled to a time-dependent target, can rapidly evolve to complex states with larger code length and smaller coding density than sites recognising a static target. The underlying fitness model contains selection for recognition, which depends on the sequence similarity between site and target, and a uniform cost per unit of code length. Site sequences are shown to evolve in a specific adaptive ratchet, which produces selection of different strength for code extensions and compressions. Ratchet evolution increases the adaptive width of evolved sites, accelerating the adaptation to moving targets and facilitating refinement and innovation of recognition functions. We apply these results to the recognition of fast-evolving antigens by the human immune system. Our analysis shows how molecular complexity can evolve as a collateral to selection for function in a dynamic environment.