Abstract Microorganisms survive and compete by stochastically acquiring mutations that enhance fitness. Although increased mutation rates are often deleterious in multicellular organisms, hypermutation can be beneficial for microbes experiencing strong selective pressures. Infections caused by Cryptococcus neoformans are responsible for ∼15% of AIDS-related deaths and associated with high mortality rates, attributable to a dearth of antifungal drugs and drug resistance. We identified two hypermutator C. neoformans clinical isolates in which Cnl1 transposon insertions were responsible for drug resistance. Whole-genome sequencing revealed both hypermutator genomes harbor a nonsense mutation in the RNAi component ZNF3 and hundreds of Cnl1 elements organized into massive subtelomeric arrays on every chromosome. QTL mapping identified a significant locus associated with hypermutation that included znf3 . CRISPR-mediated editing of the znf3 nonsense mutation abolished hypermutation and restored siRNA production. In sum, hypermutation and drug resistance in these isolates results from RNAi loss and a significant burden of Cnl1 elements.

Abstract The genome folds into complex configurations and structures thought to profoundly impact its function. The intricacies of this dynamic structure-function relationship are not well understood particularly in the context of viral infection. To unravel this interplay, here we provide a comprehensive investigation of simultaneous host chromatin structural (via Hi-C and ATAC-seq) and functional changes (via RNA-seq) in response to vaccinia virus infection. Over time, infection significantly impacts global and local chromatin structure by increasing long-range intra-chromosomal interactions and B compartmentalization and by decreasing chromatin accessibility and inter-chromosomal interactions. Local accessibility changes are independent of broad-scale chromatin compartment exchange (~12% of the genome), underscoring potential independent mechanisms for global and local chromatin reorganization. While infection structurally condenses the host genome, there is nearly equal bidirectional differential gene expression. Despite global weakening of intra-TAD interactions, functional changes including downregulated immunity genes are associated with alterations in local accessibility and loop domain restructuring. Therefore, chromatin accessibility and local structure profiling provide impactful predictions for host responses and may improve development of efficacious anti-viral counter measures including the optimization of vaccine design.

Abstract We recently reported transposon mutagenesis as a significant driver of spontaneous mutations in the human fungal pathogen Cryptococcus deneoformans during murine infection. Mutations caused by transposable element (TE) insertion into reporter genes were dramatically elevated at high temperature (37° versus 30°) in vitro, suggesting that heat stress stimulates TE mobility in the Cryptococcus genome. To explore the genome-wide impact of TE mobilization, we generated transposon accumulation lines by in vitro passage of C. deneoformans strain XL280α for multiple generations at both 30° and at the host-relevant temperature of 37°. Utilizing whole-genome sequencing, we identified native TE copies and mapped multiple de novo TE insertions in these lines. Movements of the T1 DNA transposon occurred at both temperatures with a strong bias for insertion between gene-coding regions. By contrast, the Tcn12 retrotransposon integrated primarily within genes and movement occurred exclusively at 37°. In addition, we observed a dramatic amplification in copy number of the Cnl1 ( C. neoformans LINE-1) retrotransposon in sub-telomeric regions under heat-stress conditions. Comparing TE mutations to other sequence variations detected in passaged lines, the increase in genomic changes at elevated temperature was primarily due to mobilization of the retroelements Tcn12 and Cnl1. Finally, we found multiple TE movements (T1, Tcn12 and Cnl1) in the genomes of single C. deneoformans isolates recovered from infected mice, providing evidence that mobile elements are likely to facilitate microevolution and rapid adaptation during infection. Significance Statement Rising global temperatures and climate change are predicted to increase fungal diseases in plants and mammals. However, the impact of heat stress on genetic changes in environmental fungi is largely unexplored. Environmental stressors can stimulate the movement of mobile DNA elements (transposons) within the genome to alter the genetic landscape. This report provides a genome-wide assessment of heat stress-induced transposon mobilization in the human fungal pathogen Cryptococcus. Transposon copies accumulated in genomes more rapidly following growth at the higher, host-relevant temperature. Additionally, movements of multiple elements were detected in the genomes of cryptococci recovered from infected mice. These findings suggest that heat stress-stimulated transposon mobility contributes to rapid adaptive changes in fungi both in the environment and during infection.

Multiple species within the basidiomycete genus, Cryptococcus, cause cryptococcal disease. These species are estimated to affect nearly a quarter of a million people leading to approximately 180,000 mortalities, annually. Sexual reproduction, which can occur between haploid yeasts of the same or opposite mating type, is a potentially important contributor to pathogenesis as recombination can generate novel genotypes and transgressive phenotypes. However, our quantitative understanding of recombination in this clinically important yeast is limited. Here we describe genome-wide estimates of recombination rates in C. deneoformans and compare recombination between progeny from unisexual and bisexual crosses. We find that offspring from bisexual crosses have modestly higher average rates of recombination than those derived from unisexual crosses. Recombination hot and cold spots across the C. deneoformans genome are also identified and are associated with increased GC content. Finally, we observed regions genome-wide with allele frequencies deviating from the expected parental ratio. These findings and observations advance our quantitative understanding of the genetic events that occur during sexual reproduction in C. deneoformans, and the impact that different forms of sexual reproduction are likely to have on genetic diversity in this important fungal pathogen.

Abstract Cryptococcal disease is estimated to affect nearly a quarter of a million people annually. Environmental isolates of Cryptococcus deneoformans , which make up 15 to 30% of clinical infections in temperate climates such as Europe, vary in their pathogenicity, ranging from benign to hyper-virulent. Key traits that contribute to virulence, such as the production of the pigment melanin, an extracellular polysaccharide capsule, and the ability to grow at human body temperature have been identified, yet little is known about the genetic basis of variation in such traits. Here we investigate the genetic basis of melanization, capsule size, thermal tolerance, oxidative stress resistance, and antifungal drug sensitivity using quantitative trait locus (QTL) mapping in progeny derived from a cross between two divergent C. deneoformans strains. Using a “function-valued” QTL analysis framework that exploits both time-series information and growth differences across multiple environments, we identified QTL for each of these virulence traits and drug susceptibility. For three QTL we identified the underlying genes and nucleotide differences that govern variation in virulence traits. One of these genes, RIC8 , which encodes a regulator of cAMP-PKA signaling, contributes to variation in four virulence traits: melanization, capsule size, thermal tolerance, and resistance to oxidative stress. Two major effect QTL for amphotericin B resistance map to the genes SSK1 and SSK2 , which encode key components of the HOG pathway, a fungal-specific signal transduction network that orchestrates cellular responses to osmotic and other stresses. We also discovered complex epistatic interactions within and between genes in the HOG and cAMP-PKA pathways that regulate antifungal drug resistance and resistance to oxidative stress. Our findings advance the understanding of virulence traits among diverse lineages of Cryptococcus , and highlight the role of genetic variation in key stress-responsive signaling pathways as a major contributor to phenotypic variation. Author summary Different environmental isolates (strains) of the same microbial species can vary greatly in their ability to cause disease, ranging from avirulent to hypervirulent. What makes some strains deadly pathogens, while others are relatively benign? This study describes the characterization of key genetic differences that underlie variation in traits thought to promote virulence in Cryptococcus deneoformans , a wide-spread opportunistic fungal pathogen. Using a combination of quantitative genetic and molecular genetic approaches we dissected the genetic architecture of virulence-related cellular traits (melanin production and the production of a polysaccharide capsule), physiological responses to stress (tolerance of thermal, oxidative, and osmotic stress), and sensitivity to multiple antifungal drugs. Strikingly we find that variation in most of these traits is governed by a small number of genetic differences that modify the function of two major cell signaling networks, cyclic AMP–Protein Kinase A (cAMP-PKA) signaling and a fungal specific MAP-kinase cascade called the high osmolarity glycerol (HOG) pathway. Similar to recent studies in a number of other fungal species, our findings point to an outsize role for a small number of highly pleiotropic signaling pathways in potentiating phenotypic variation both within and between fungal species.

Abstract The “Amoeboid Predator-Fungal Animal Virulence Hypothesis” posits that interactions with environmental phagocytes shape the evolution of virulence traits in fungal pathogens. In this hypothesis, selection to avoid predation by amoeba inadvertently selects for traits that contribute to fungal escape from phagocytic immune cells. Here, we investigate this hypothesis in the human fungal pathogens Cryptococcus neoformans and Cryptococcus deneoformans . Applying quantitative trait locus (QTL) mapping and comparative genomics, we discovered a cross-species QTL region that is responsible for variation in resistance to amoeba predation. In C. neoformans , this same QTL was found to have pleiotropic effects on melanization, an established virulence factor. Through fine mapping and population genomic comparisons, we identified the gene encoding the transcription factor Bzp4 that underlies this pleiotropic QTL and we show that decreased expression of this gene reduces melanization and increases susceptibility to amoeba predation. Despite the joint effects of BZP4 on amoeba resistance and melanin production, we find no relationship between BZP4 genotype and escape from macrophages or virulence in murine models of disease. Our findings provide new perspectives on how microbial ecology shapes the genetic architecture of fungal virulence, and suggests the need for more nuanced models for the evolution of pathogenesis that account for the complexities of both microbe-microbe and microbe-host interactions. Author summary A prominent hypothesis for the evolution of many environmental pathogens proposes that opportunistic pathogenesis is an “accidental” by-product of selection to survive encounters with microbial predators. Chief among the predators that have been suggested as relevant to the evolution of virulence are phagocytic amoebae. Amoebae share many characteristics with macrophages and other primary immune cells that microbial pathogens encounter during infection of animal hosts. This has led to the suggestion that amoebae may act as “training grounds” for both bacterial and fungal pathogens. In this study we test key tenets of the accidental pathogen hypothesis by examining two related questions: “Do alleles important for survival in the face of amoeba predation correspond to known virulence genes? And does genetic variation that increases resistance to amoeba predation increase virulence potential?” We carried out quantitative trait locus (QTL) mapping in two species of the human fungal pathogen Cryptococcus and identified an orthologous QTL, shared by the two species, where allelic variation is a key predictor of resistance to amoeba predation. In C. neoformans we show that this QTL corresponds to a deletion upstream of a transcription factor gene, BZP4 . Variation at BZP4 also predicts melanin synthesis, another trait implicated in Cryptococcus virulence. Although BZP4 genotype is a strong predictor of resistance to amoeba predation, we find no correlation between genetic variation at this locus and the ability to proliferate in macrophages or to kill animal hosts. Our findings suggest that the evolutionary landscape of fungal virulence is complex, and highlights the importance of accounting for natural genetic variation when evaluating evolutionary hypotheses.

Abstract Background Correlation metrics are widely utilized in genomics analysis and often implemented with little regard to assumptions of normality, homoscedasticity, and independence of values. This is especially true when comparing values between replicated sequencing experiments that probe chromatin accessibility, such as assays for transposase-accessible chromatin via sequencing (ATAC-seq). Such data can possess several regions across the human genome with little to no sequencing depth and are thus non-normal with a large portion of zero values. Despite distributed use in the epigenomics field, few studies have evaluated and benchmarked how correlation and association statistics behave across ATAC-seq experiments with known differences or the effects of removing specific outliers from the data. Here, we developed a computational simulation of ATAC-seq data to elucidate the behavior of correlation statistics and to compare their accuracy under set conditions of reproducibility. Results Using these simulations, we monitored the behavior of several correlation statistics, including the Pearson’s R and Spearman’s ρ coefficients as well as Kendall’s τ and Top-Down correlation. We also test the behavior of association measures, including the coefficient of determination R 2 , Kendall’s W, and normalized mutual information. Our experiments reveal an insensitivity of most statistics, including Spearman’s ρ , Kendall’s τ , and Kendall’s W, to increasing differences between simulated ATAC-seq replicates. The removal of co-zeros (regions lacking mapped sequenced reads) between simulated experiments greatly improves the estimates of correlation and association. After removing co-zeros, the R 2 coefficient and normalized mutual information display the best performance, having a closer one-to-one relationship with the known portion of shared, enhanced loci between simulated replicates. When comparing values between experimental ATAC-seq data using a random forest model, mutual information best predicts ATAC-seq replicate relationships. Conclusions Collectively, this study demonstrates how measures of correlation and association can behave in epigenomics experiments. We provide improved strategies for quantifying relationships in these increasingly prevalent and important chromatin accessibility assays.

Abstract There is increasing demand to quickly process multiple types of sequencing-based data to completely capture epigenetic alterations and associated changes in chromatin structure underlying cellular responses. Furthermore, the need for a set of bioinformatic tools that leverage high performance computing and parallelization for processing omics data from many experiments has become apparent. Here we present SLUR(M)-py: a flexible command line tool (written in Python) that leverages the Simple Linux Utility for Resource Management system (SLURM) to process, align, and analyze sequencing data from three-dimensional and epigenomic assays in a high-performance computing environment. SLUR(M)-py is designed with host-pathogen infection experiments in mind, and contains unique scripts and functions that automate calls to SLURM for processing paired-end sequenced reads from chromatin characterization experiments, including whole-genome, ChIP-seq, ATAC-seq and Hi-C. ATAC-seq and Hi-C data from viral infection experiments as well as data from the ENCODE project are utilized to demonstrate processing speed, which outpace current high-performance computing pipelines. We explore the effect of dropping duplicate sequenced reads in ATAC-seq data and demonstrate how SLUR(M)-py can be used for quality control and to detect artifacts in Hi-C experiments from viral infection experiments. Finally, we utilize SLUR(M)-py to explore the dynamics of inter-chromosomal contacts in mammalian cells exposed to vaccinia virus, the vaccine for smallpox.

Abstract Cellular development is orchestrated by evolutionarily conserved signaling pathways, which are often pleiotropic and involve intra- and inter-pathway epistatic interactions that form intricate, complex regulatory networks. Cryptococcus species are a group of closely-related human fungal pathogens that grow as yeasts yet transition to hyphae during sexual reproduction. Additionally, during infection they can form large, polyploid titan cells that evade immunity and develop drug resistance. Multiple known signaling pathways regulate cellular development, yet how these are coordinated and interact with genetic variation is less well understood. Here, we conducted quantitative trait locus (QTL) analyses of a mapping population generated by sexual reproduction of two parents, only one of which is unisexually fertile. We observed transgressive segregation of the unisexual phenotype among progeny, as well as a novel large-cell phenotype under mating-inducing conditions. These large-cell progeny were found to produce titan cells both in vitro and in infected animals. Two major QTLs and corresponding quantitative trait genes (QTGs) were identified: RIC8 (encoding a guanine-exchange factor) and CNC06490 (encoding a putative Rho-GTPase activator), both involved in G-protein signaling. The two QTGs interact epistatically with each other and with the mating-type locus in phenotypic determination. These findings provide insights into the complex genetics of morphogenesis during unisexual reproduction and pathogenic titan cell formation and illustrate how QTL analysis can be applied to identify epistasis between genes. This study shows that phenotypic outcomes are influenced by the genetic background upon which mutations arise, implicating dynamic, complex genotype-to-phenotype landscapes in fungal pathogens and beyond. Significance statement Cellular development is regulated by a complex web of signaling pathways that respond to both intracellular and extracellular cues. Morphological transitions in pathogenic fungi, such as those observed during sexual reproduction or in response to the host environment, offer tractable models for understanding the principles that govern eukaryotic cell development and morphogenesis. Using the human fungal pathogen Cryptococcus deneoformans as a model and applying QTL analysis, we defined novel genes and gene-gene interactions involved in the yeast-hyphal transition and titanization, two morphological developments that are important for adaptation, pathogenesis, and evolution of this fungal pathogen. Our study provides new insights into the conservation and complexity of key signaling pathways in regulating cell development in fungi, as well as other eukaryotes.

Genomic DNA folds into complex configurations that produce particular local and global structures thought to profoundly impact genome function. To understand the dynamic nature of this relationship, we investigated the extent of host chromatin structural and functional changes in response to a viral agent. We performed comprehensive assessments of host architecture (Hi-C), accessibility (ATAC-seq), and gene expression (RNA-seq) in a paired manner in response to attenuated vaccinia (smallpox) virus. Over time, infection significantly increased long-range intra-chromosomal interactions and decreased chromatin accessibility. Fine-scale accessibility changes were independent of broad-scale chromatin compartment exchange, which increased (up to 12% of the genome) over time, underscoring potential independent mechanisms for global and local chromatin reorganization. The majority of differentially expressed genes, including those downregulated in immune responses, had concurrent alterations in local accessibility and loop domain restructuring. Increased B compartmentalization, intra-chromosomal interactions, and decreased inter-chromosomal interactions and chromatin accessibility together indicate that infection converts the host genome into a more condensed state with nearly equal bidirectional differential gene expression. These changes in host chromatin features may have implications for developing efficacious anti-viral countermeasures. Overall, our empirical data provides evidence of orchestrated concurrent alterations in chromatin architecture, accessibility, and gene expression in response to infection, further reinforcing the notion of coordinated structure-function dynamics of the genome.