Abstract Background The Critical Assessment of Functional Annotation (CAFA) is an ongoing, global, community-driven effort to evaluate and improve the computational annotation of protein function. Results Here, we report on the results of the third CAFA challenge, CAFA3, that featured an expanded analysis over the previous CAFA rounds, both in terms of volume of data analyzed and the types of analysis performed. In a novel and major new development, computational predictions and assessment goals drove some of the experimental assays, resulting in new functional annotations for more than 1000 genes. Specifically, we performed experimental whole-genome mutation screening in Candida albicans and Pseudomonas aureginosa genomes, which provided us with genome-wide experimental data for genes associated with biofilm formation and motility. We further performed targeted assays on selected genes in Drosophila melanogaster , which we suspected of being involved in long-term memory. Conclusion We conclude that while predictions of the molecular function and biological process annotations have slightly improved over time, those of the cellular component have not. Term-centric prediction of experimental annotations remains equally challenging; although the performance of the top methods is significantly better than the expectations set by baseline methods in C. albicans and D. melanogaster , it leaves considerable room and need for improvement. Finally, we report that the CAFA community now involves a broad range of participants with expertise in bioinformatics, biological experimentation, biocuration, and bio-ontologies, working together to improve functional annotation, computational function prediction, and our ability to manage big data in the era of large experimental screens.

Abstract Individuals with cystic fibrosis (CF) are susceptible to chronic lung infections that lead to inflammation and irreversible lung damage. While most respiratory infections that occur in CF are caused by bacteria, some are dominated by fungi such as the slow-growing black yeast Exophiala dermatitidis . Here, we analyze isolates of E. dermatitidis cultured from two samples, collected from a single subject two years apart. One isolate genome was sequenced using long-read Nanopore technology as an in-population reference to use in comparative single nucleotide polymorphism (SNP) and insertion-deletion (INDEL) variant analyses of twenty-three isolates. We then used population genomics and phylo-genomics to compare the isolates to each other as well as the type strain E. dermatitidis NIH/UT8656. Within the CF lung population, three E. dermatitidis clades were detected, each with varying mutation rates. Overall, the isolates were highly similar suggesting that they were recently diverged. All isolates were MAT 1-1, which was consistent with their high relatedness and the absence of evidence for mating or recombination between isolates. Phylogenetic analysis grouped sets of isolates into clades that contained isolates from both early and late time points indicating there are multiple persistent lineages. Functional assessment of variants unique to each clade identified alleles in genes that encode transporters, cytochrome P450 oxidoreductases, iron acquisition and DNA repair processes. Consistent with the genomic heterogeneity, isolates showed some stable phenotype heterogeneity in melanin production, subtle differences in antifungal minimum inhibitory concentrations, growth on different substrates. The persistent population heterogeneity identified in lung-derived isolates is an important factor to consider in the study of chronic fungal infections, and the analysis of changes in fungal pathogens over time may provide important insights into the physiology of black yeasts and other slow-growing fungi in vivo .

Abstract Here, we report an approach to detect diverse bacterial and fungal taxa in complex samples by direct analysis of community RNA in one step using NanoString probe sets. We designed rRNA-targeting probe sets to detect forty two bacterial and fungal genera or species common in cystic fibrosis (CF) sputum, and demonstrated taxon-specificity of these probes as well as a linear response over more than three logs of input RNA. Culture-based analyses correlated qualitatively with relative abundance data on bacterial and fungal taxa obtained by NanoString and the analysis of serial samples demonstrated the use of this method to simultaneously detect bacteria and fungi and to detect microbes at low abundance without an amplification step. The relative abundances of bacterial taxa detected by analysis of RNA correlated with the relative abundances of the same taxa as measured by sequencing of the V4V5 region of the 16S rRNA gene amplified from community DNA from the same sample. We propose that this method may complement other methods designed to understand dynamic microbial communities, may provide information on bacteria and fungi in the same sample with a single assay, and, with further development, may provide quick and easily-interpreted diagnostic information on diverse bacteria and fungi at the genus or species level. Importance Here we demonstrate the use of an RNA-based analysis of specific taxa of interest, including bacteria and fungi, within microbial communities. This multiplex method may be useful as a means to identify samples with specific combinations of taxa and to gain information on how specific populations vary over time and space or in response to perturbation. A rapid means to measure bacterial and fungal populations may aid in the study of host response to changes in microbial communities.

Abstract Pseudomonas aeruginosa induces pathways indicative of low zinc availability in the cystic fibrosis (CF) lung environment. To learn more about P. aeruginosa zinc access in CF, we grew P. aeruginosa strain PAO1 directly in expectorated CF sputum. The P. aeruginosa Zur transcriptional repressor controls the response to low intracellular zinc, and we used the NanoString methodology to monitor levels of Zur-regulated transcripts including those encoding a zincophore system, a zinc importer, and paralogs of zinc containing proteins that do not require zinc for activity. Zur-controlled transcripts were induced in sputum-grown P. aeruginosa compared to control cultures, but not if the sputum was amended with zinc. Amendment of sputum with ferrous iron did not reduce expression of Zur-regulated genes. A reporter fusion to a Zur-regulated promoter had variable activity in P. aeruginosa grown in sputum from different donors, and this variation inversely correlated with sputum zinc concentrations. Recombinant human calprotectin (CP), a divalent-metal binding protein released by neutrophils, was sufficient to induce a zinc-starvation response in P. aeruginosa grown in laboratory medium or zinc-amended CF sputum indicating that CP is functional in the sputum environment. Zinc metalloproteases comprise a large fraction of secreted zinc-binding P. aeruginosa proteins. Here we show that recombinant CP inhibited both LasB-mediated casein degradation and LasA-mediated lysis of Staphylococcus aureus , which was reversible with added zinc. These studies reveal the potential for CP-mediated zinc chelation to post-translationally inhibit zinc metalloprotease activity and thereby impact the protease-dependent physiology and/or virulence of P. aeruginosa in the CF lung environment. Importance The factors that contribute to worse outcomes in individuals with cystic fibrosis (CF) with chronic Pseudomonas aeruginosa infections are not well understood. Therefore, there is a need to understand environmental factors within the CF airway that contribute to P. aeruginosa colonization and infection. We demonstrate that growing bacteria in CF sputum induces a zinc-starvation response that inversely correlates with sputum zinc levels. Additionally, both calprotectin and a chemical zinc chelator inhibit the proteolytic activities of LasA and LasB proteases suggesting that extracellular zinc chelators can influence proteolytic activity and thus P. aeruginosa virulence and nutrient acquisition in vivo .

Pseudomonas aeruginosa has a broad metabolic repertoire that facilitates its co-existence with different microbes. Many microbes secrete products that P. aeruginosa can then catabolize, including ethanol, a common fermentation product. Here, we show that under oxygen limiting conditions P. aeruginosa utilizes AdhA, an NAD-linked alcohol dehydrogenase, as a previously undescribed means for ethanol catabolism. In a rich medium containing ethanol, AdhA, but not the previously described PQQ-linked alcohol dehydrogenase, ExaA, oxidizes ethanol and leads to the accumulation of acetate in culture supernatants. AdhA-dependent acetate accumulation, and the accompanying decrease in pH, promotes P. aeruginosa survival in LB-grown stationary phase cultures. The transcription of adhA is elevated by hypoxia and in anoxic conditions, and we show that it is regulated by the Anr transcription factor. We have shown that lasR mutants have higher levels of Anr-regulated transcripts in low oxygen conditions compared to their wild type counterparts. Here, we show that a lasR mutant, when grown with ethanol, has an even larger decrease in pH than WT that is dependent on both anr and adhA . The large increase in AdhA activity similar to that of a strain expressing a hyperactive Anr-D149A variant. Ethanol catabolism in P. aeruginosa by AdhA supports growth on ethanol as a sole carbon source and electron donor in oxygen-limited settings and in cells growing by denitrification in anoxic conditions. This is the first demonstration of a physiological role for AdhA in ethanol oxidation in P. aeruginosa .

The Critical Assessment of Functional Annotation (CAFA) is an ongoing, global, community-driven effort to evaluate and improve the computational annotation of protein function. Here we report on the results of the third CAFA challenge, CAFA3, that featured an expanded analysis over the previous CAFA rounds, both in terms of volume of data analyzed and the types of analysis performed. In a novel and major new development, computational predictions and assessment goals drove some of the experimental assays, resulting in new functional annotations for more than 1000 genes. Specifically, we performed experimental whole-genome mutation screening in Candida albicans and Pseudomonas aureginosa genomes, which provided us with genome-wide experimental data for genes associated with biofilm formation and motility P. aureginosa only). We further performed targeted assays on selected genes in Drosophila melanogaster, which we suspected of being involved in long-term memory. We conclude that, while predictions of the molecular function and biological process annotations have slightly improved over time, those of the cellular component have not. Term-centric prediction of experimental annotations remains equally challenging; although the performance of the top methods is significantly better than expectations set by baseline methods in C. albicans and D. melanogaster, it leaves considerable room and need for improvement. We finally report that the CAFA community now involves a broad range of participants with expertise in bioinformatics, biological experimentation, biocuration, and bio-ontologies, working together to improve functional annotation, computational function