ABSTRACT Deleterious mutations in the X-linked gene encoding ornithine transcarbamylase ( OTC ) cause the most common urea cycle disorder, OTC deficiency. This rare, but highly actionable disease can present with severe neonatal onset in males or with later onset in either sex. Neonatal onset patients appear normal at birth but rapidly develop hyperammonemia, which can progress to cerebral edema, coma and death, outcomes ameliorated by rapid diagnosis and treatment. Existing biochemical assays have limitations, including the sensitivity of the citrulline assays used in newborn screening panels. With prior knowledge of variant pathogenicity, DNA sequence-based diagnostics would provide an alternative screening method. Here, we develop a high throughput functional assay for human OTC and measure the impact of 1,570 variants, 84% of all SNP-accessible missense mutations. Our assay scores agree well with existing clinical significance calls, distinguishing known benign from pathogenic variants and variants with neonatal onset from late-onset disease presentation. Further, use of an intronless expression construct allows us to measure the impact of amino acid changes at splice sites independent of their effect on splicing, thereby separating the contribution of splicing and protein coding changes to aid the analysis of molecular mechanisms underlying pathogenicity. Finally, we assess the utility of our functional data on OTC variant curation by using the current ACMG/AMP guidelines to reclassify variants. Inclusion of our data as PS3/BS3 substantially improves variant interpretation. Thus, our dataset is of high clinical utility and illustrates the power of functional assays to inform interpretation of existing and novel genetic variation.

Pathogenic variants in PHGDH, PSAT1 , and PSPH cause a set of rare, autosomal recessive diseases known as serine biosynthesis defects. Serine biosynthesis defects present in a broad phenotypic spectrum that includes, at the severe end, Neu-Laxova syndrome, a lethal multiple congenital anomaly disease, intermediately in the form of infantile serine biosynthesis defects with severe neurological manifestations and growth deficiency, and at the mild end, as childhood disease with intellectual disability. However, because L-serine supplementation, especially if started early, can ameliorate and in some cases even prevent symptoms, knowledge of pathogenic variants is highly actionable.Recently, our laboratory established a yeast-based assay for human PSAT1 function. We have now applied it at scale to assay the functional impact of 1,914 SNV-accessible amino acid substitutions. In addition to assaying the functional impact of individual variants in yeast haploid cells, we can assay pairwise combinations of PSAT1 alleles that recapitulate human genotypes, including compound heterozygotes, in yeast diploids.Results of our assays of individual variants (in haploid yeast cells) agree well with clinical interpretations and protein structure-function relationships, supporting the use of our data as functional evidence under the ACMG interpretation guidelines. Results from our diploid assay successfully distinguish patient genotypes from those of healthy carriers and agree well with disease severity. Finally, we present a linear model that uses individual allele measurements (in haploid yeast cells) to accurately predict the biallelic function (in diploid yeast cells) of ~ 1.8 million allele combinations corresponding to potential human genotypes.Taken together, our work provides an example of how large-scale functional assays in model systems can be powerfully applied to the study of a rare disease.

Strains of Saccharomyces cerevisiae used to make beer, bread and wine are genetically and phenotypically distinct from wild populations associated with trees. The origins of these domesticated populations are not always clear; human-associated migration and admixture with wild populations have had a strong impact on S. cerevisiae population structure. We examined the population genetic history of beer strains and find that ale strains and the S. cerevisiae portion of allotetraploid lager strains were derived from admixture between populations closely related to European grape wine strains and Asian rice wine strains. Similar to both lager and baking strains, ale strains are polyploid, providing them with a passive means of remaining isolated from other populations and providing us with a living relic of their ancestral hybridization. To reconstruct their polyploid origin we phased the genomes of two ale strains and found ale haplotypes to both be recombinants between European and Asian alleles and to also contain novel alleles derived from extinct or as yet uncharacterized populations. We conclude that modern beer strains are the product of a historical melting pot of fermentation technology.

Here, we describe an information-theory-based method and associated software for computationally identifying sister spores derived from the same meiotic tetrad. The method exploits specific DNA sequence features of tetrads that result from meiotic centromere and allele segregation patterns. Because the method uses only the genomic sequence, it alleviates the need for tetrad-specific barcodes or other genetic modifications to the strains. Using this method, strains derived from randomly arrayed spores can be efficiently grouped back into tetrads.

Clonal communities of single celled organisms, such as bacterial or fungal colonies and biofilms, are spatially structured, with subdomains of cells experiencing differing environmental conditions. In the development of such communities, cell specialization is not only important to respond and adapt to the local environment but has the potential to increase the fitness of the clonal community through division of labor. Here, we examine colony development in a yeast strain (F13) that produces colonies with a highly structured “ruffled” phenotype in the colony periphery and an unstructured “smooth” phenotype in the colony center. We demonstrate that in the F13 genetic background deletions of transcription factors can either increase (dig1 D, sfl1 D) or decrease (tec1 D) the degree of colony structure. To investigate the development of colony structure, we carried out gene expression analysis on F13 and the three deletion strains using RNA-seq. Samples were taken early in colony growth (day2), which precedes ruffled phenotype development in F13, and from the peripheral and central regions of colonies later in development (day5), at which time these regions are structured and unstructured (respectively) in F13. We identify genes responding additively and non-additively to the genotype and spatiotemporal factors and cluster these genes into a number of different expression patterns. We identify clusters whose expression correlates closely with the degree of colony structure in each sample and include genes with known roles in the development of colony structure. Individual deletion of 26 genes sampled from different clusters identified 5 with strong effects on colony morphology ( BUD8 , CIS3 , FLO11 , MSB2 and SFG1 ), all of which eliminated or greatly reduced the structure of the F13 outer region.

Abstract In vitro studies suggest that stress may generate random standing variation, and that different cellular and ploidy states may evolve more rapidly under stress. Yet this idea has not been tested with pathogenic fungi growing within their host niche in vivo . Here, we analyzed the generation of both genotypic and phenotypic diversity during exposure of Candida albicans to the mouse oral cavity. Ploidy, aneuploidy, loss of heterozygosity (LOH) and recombination were determined using flow cytometry and ddRADseq. Colony phenotypic changes (CPs) in size and filamentous growth were evident without selection, and were enriched among colonies selected for LOH of the GAL1 marker. Aneuploidy and LOH occurred on all chromosomes (Chrs), with aneuploidy more frequent for smaller Chrs and whole Chr LOH more frequent for larger Chrs. Large genome shifts in ploidy to haploidy often maintained one or more heterozygous disomic Chrs, consistent with random Chr missegregation events. Most isolates displayed several different types of genomic changes, suggesting that the oral environment rapidly generates diversity de novo. In sharp contrast, following in vitro propagation isolates were not enriched for multiple LOH events, except in those that underwent haploidization and/or had high levels of Chr loss. The frequency of events was overall 100 times higher for C. albicans populations following in vivo passage compared to in vitro . These hyperdiverse in vivo isolates likely provide C. albicans with the ability to adapt rapidly to the diversity of stress environments it encounters inside the host. Author summary Adaption is a continuous dynamic process that requires genotypic and phenotypic variation. Here we studied the effects of a single passage in a mouse oropharyngeal model of infection on the appearance of diversity in C. albicans, a common commensal of the human oral cavity and GI tract. We found that variation could be rapidly detected following oral colonization, with the frequency of genome change being considerably higher with pre-selection for recombination and colony phenotypic changes. Importantly, one third of all isolates had multiple genome changes, significantly higher than expected by chance alone. We suggest that some cells in the population are naturally hypervariable and that they are a major source of diversity upon which selection can act in stressful conditions in vivo and in vitro .

When the fungus Candida albicans proliferates in the oropharyngeal cavity during experimental oropharyngeal candidiasis (OPC), it undergoes large-scale genome changes at a much higher frequency than when it grows in vitro. Previously, we identified a specific whole chromosome amplification, trisomy of Chr6 (Chr6x3), that was highly overrepresented among strains recovered from the tongues of mice with OPC. To determine the functional significance of this trisomy, we assessed the virulence of two Chr6 trisomic strains and a Chr5 trisomic strain in the mouse model of OPC. We also analyzed the expression of virulence-associated traits in vitro. All three trisomic strains exhibited characteristics of a commensal during OPC in mice. They achieved the same oral fungal burden as the diploid progenitor strain but caused significantly less weight loss and elicited a significantly lower inflammatory host response. In vitro, all three trisomic strains had reduced capacity to adhere to and invade oral epithelial cells and increased susceptibility to neutrophil killing. Whole genome sequencing of pre- and post-infection isolates found that the trisomies were usually maintained. Most post-infection isolates also contained de novo point mutations, but these were not conserved. While in vitro growth assays did not reveal phenotypes specific to de novo point mutations, they did reveal novel phenotypes specific to each lineage. These data reveal that during OPC, clones that are trisomic for Chr5 or Chr6 are selected and they facilitate a commensal-like phenotype.