Abstract Antimicrobial drug resistance poses a global health threat, requiring a deeper understanding of the evolutionary processes that lead to its emergence in pathogens. Complex evolutionary dynamics involve multiple mutations that can result in cooperative or competitive (clonal interference) effects. Candida albicans , a major fungal pathogen, displays high rates of copy number variation (CNV) and loss of heterozygosity (LOH). CNV and LOH events involve large numbers of genes and could synergize during evolutionary adaptation. Understanding the contributions of CNV and LOH to antifungal drug adaptation is challenging, especially in the context of whole-population genome sequencing. Here, we document the sequential evolution of fluconazole tolerance and then resistance in a C. albicans isolate involving an initial CNV on chromosome 4, followed by an LOH on chromosome R that involves KSR1 . Similar LOH events involving KSR1, which encodes a reductase involved in sphingolipid biosynthesis, were also detected in independently evolved fluconazole resistant isolates. We dissect the specific KSR1 codons that affect fluconazole resistance and tolerance. The combination of the chromosome 4 CNV and KSR1 LOH results in a >500-fold increase in azole resistance, illustrating a compelling example of rapid, yet step-wise, interplay between CNV and LOH in drug resistance evolution.

Genetic networks are surprisingly robust to perturbations caused by new mutations. This robustness is conferred in part by compensation for loss of a gene's activity by genes with overlapping functions, such as paralogs. Compensation occurs passively when the normal activity of one paralog can compensate for the loss of the other, or actively when a change in one paralog's expression, localization, or activity is required to compensate for loss of the other. The mechanisms of active compensation remain poorly understood in most cases. Here we investigate active compensation for the loss or reduction in expression of the Saccharomyces cerevisiae gene TDH3 by its paralogs TDH1 and TDH2. TDH1 and TDH2 are upregulated in a dose-dependent manner in response to reductions in TDH3 by a mechanism requiring the shared transcriptional regulators Gcr1p and Rap1p. Other glycolytic genes regulated by Rap1p and Gcr1p show changes in expression similar to TDH2, suggesting that the active compensation by TDH3 paralogs is part of a broader homeostatic response mediated by shared transcriptional regulators.

Abstract Heritable variation in a gene’s expression arises from mutations impacting cis - and trans -acting components of its regulatory network, with expression variation often derived from trans -regulatory mutations within species. Here, we investigate how trans -regulatory mutations are distributed within the genome and within a gene regulatory network by identifying and characterizing 69 mutations with trans -regulatory effects on expression of the same focal gene in Saccharomyces cerevisiae . Relative to 1766 mutations without effects on expression of this focal gene, we found that these trans -regulatory mutations were enriched in coding sequences of transcription factors previously predicted to regulate expression of the focal gene. However, over 90% of the trans -regulatory mutations identified mapped to other types of genes involved in diverse biological processes including chromatin state, metabolism and signal transduction. Finally, we find that the genomic distribution of these new regulatory mutations significantly overlaps with the genomic distribution of trans -regulatory variants segregating within S. cerevisiae .