SUMMARY As part of the Synthetic Yeast 2.0 (Sc2.0) project, we designed and synthesized synthetic chromosome I. The total length of synI is ∼21.4% shorter than wild-type chromosome I, the smallest chromosome in Saccharomyces cerevisiae . SynI was designed for attachment to another synthetic chromosome due to concerns of potential instability and karyotype imbalance. We used a variation of a previously developed, robust CRISPR-Cas9 method to fuse chromosome I to other chromosome arms of varying length: chrIXR (84kb), chrIIIR (202kb) and chrIVR (1Mb). All fusion chromosome strains grew like wild-type so we decided to attach synI to synIII. Through the investigation of three-dimensional structures of fusion chromosome strains, unexpected loops and twisted structures were formed in chrIII-I and chrIX-III-I fusion chromosomes, which depend on silencing protein Sir3. These results suggest a previously unappreciated 3D interaction between HMR and the adjacent telomere. We used these fusion chromosomes to show that axial element Red1 binding in meiosis is not strictly chromosome size dependent even though Red1 binding is enriched on the three smallest chromosomes in wild-type yeast, and we discovered an unexpected role for centromeres in Red1 binding patterns.

Summary We describe construction of the 660 kilobase synthetic yeast chromosome XI ( synXI ) and reveal how synthetic redesign of non-coding DNA elements impact the cell. To aid construction from synthesized 5 to 10 kilobase DNA fragments, we implemented CRISPR-based methods for synthetic crossovers in vivo and used these methods in an extensive process of bug discovery, redesign and chromosome repair, including for the precise removal of 200 kilobases of unexpected repeated sequence. In synXI , the underlying causes of several fitness defects were identified as modifications to non-coding DNA, including defects related to centromere function and mitochondrial activity that were subsequently corrected. As part of synthetic yeast chromosome design, loxPsym sequences for Cre-mediated recombination are inserted between most genes. Using the GAP1 locus from chromosome XI , we show here that targeted insertion of these sites can be used to create extrachromosomal circular DNA on demand, allowing direct study of the effects and propagation of these important molecules. Construction and characterization of synXI has uncovered effects of non-coding and extrachromosomal circular DNA, contributing to better understanding of these elements and informing future synthetic genome design.

Summary We have designed, constructed, and debugged a synthetic 753,096 bp version of Saccharomyces cerevisiae chromosome XIV as part of the international Sc2.0 project. We showed that certain synthetic loxPsym recombination sites can interfere with mitochondrial protein localization, that the deletion of one intron ( NOG2 ) reduced fitness, and that a reassigned stop codon can lead to a growth defect. In parallel to these rational debugging modifications, we used Adaptive Laboratory Evolution to generate a general growth defect suppressor rearrangement in the form of increased TAR1 copy number. We also extended the utility of the Synthetic Chromosome Recombination and Modification by LoxP-mediated Evolution (SCRaMbLE) system by engineering synthetic-wild-type tetraploid hybrid strains that buffer against essential gene loss. The presence of wild-type chromosomes in the hybrid tetraploids increased post-SCRaMbLE viability and heterologous DNA integration, highlighting the plasticity of the S. cerevisiae genome in the presence of rational and non-rational modifications.

Summary Whether synthetic genomes can power life has attracted broad interest in the synthetic biology field, especially when the synthetic genomes are extensively modified with thousands of designer features. Here we report de novo synthesis of the largest eukaryotic chromosome thus far, synIV , a 1,454,621-bp Saccharomyces cerevisiae chromosome resulting from extensive genome streamlining and modification. During the construction of synIV , we developed megachunk assembly combined with a hierarchical integration strategy, which significantly increased the accuracy and flexibility of synthetic chromosome construction and facilitated chromosome debugging. In addition to the drastic sequence changes made to synIV by rewriting it, we further manipulated the three-dimensional structure of synIV in the yeast nucleus to explore spatial gene regulation within the nuclear space. Surprisingly, we found few gene expression changes, suggesting that positioning inside the yeast nucleoplasm plays a minor role in gene regulation. Lastly, we tethered synIV to the inner nuclear membrane via its hundreds of loxPsym sites and observed transcriptional repression of the entire chromosome, demonstrating chromosome-wide transcription manipulation without changing the DNA sequences. Our manipulation of the spatial structure of the largest synthetic yeast chromosome shed light on higher-order architectural design of the synthetic genomes. Graphical abstract Highlights De novo synthesis of the largest eukaryotic chromosome, synIV SynIV shows similar 3D structure to wild-type IV, despite thousands of changes made to it “Inside-out” repositioning of synIV in nucleus shows minor transcriptional changes Multipoint tethering synIV to inner nuclear membrane represses transcription of whole chromosome

Abstract Mycobacterium avium complex (MAC) is one of the most prevalent causes of nontuberculous mycobacteria pulmonary infection in the United States, yet it remains understudied. Current MAC treatment requires more than a year of intermittent to daily combination antibiotic therapy, depending on disease severity. In order to shorten and simplify curative regimens, it is important to identify the innate bacterial factors contributing to reduced antibiotic susceptibility, namely antibiotic tolerance genes. In this study, we performed a genome-wide transposon screen to elucidate M. avium genes that play a role in the bacterium’s tolerance to first- and second-line antibiotics. We identified a total of 193 unique M. avium mutants with significantly altered susceptibility to at least one of the four clinically used antibiotics we tested, including two mutants (in DFS55_00905 and DFS55_12730) with panhypersusceptibility. The products of the antibiotic tolerance genes we have identified may represent novel targets for future drug development studies aimed at shortening the duration of therapy for MAC infections. Importance The prolonged treatment required to eradicate Mycobacterium avium complex (MAC) infection is likely due to the presence of subpopulations of antibiotic-tolerant bacteria with reduced susceptibility to currently available drugs. However, little is known about the genes and pathways responsible for antibiotic tolerance in MAC. In this study, we performed a forward genetic screen to identify M. avium antibiotic tolerance genes, whose products may represent attractive targets for the development of novel adjunctive drugs capable of shortening curative treatment for MAC infections.

Abstract Generating reference maps of the interactome networks underlying most cellular functions can greatly illuminate genetic studies by providing a protein-centric approach to finding new components of existing pathways, complexes, and processes. Here, we applied state-of-the-art experimental and bioinformatics methods to identify high-confidence binary protein-protein interactions (PPIs) for Drosophila melanogaster . We performed four all-by-all yeast two-hybrid (Y2H) screens of >10,000 Drosophila proteins, resulting in the ‘FlyBi’ dataset of 8,723 PPIs among 2,939 proteins. As part of this effort, we tested subsets of our data and data from previous PPI datasets using an orthogonal assay, which allowed us to normalize data quality across datasets. Next, we integrated our FlyBi data with previous PPI data, resulting in an expanded, high-confidence binary Drosophila reference interaction network, DroRI, comprising 17,232 interactions among 6,511 proteins. These data are accessible through the Molecular Interaction Search Tool (MIST) and other databases. To assess the utility of the PPI resource, we used novel interactions from the FlyBi dataset to generate an autophagy interaction network that we validated in vivo using two different autophagy-related assays. We found that deformed wings ( dwg ) encodes a protein that is both a regulator and a target of autophagy. Altogether, the resources generated in this project provide a strong foundation for building high-confidence new hypotheses regarding protein networks and function.

Abstract Yeast SCRaMbLE is an experimental method using designed synthetic yeast chromosomes to generate combinatorial diversity through genome rearrangements. These events occur at designed loxPsym recombination sites through the activity of Cre recombinase. While the synthetic SCRaMbLE system was designed to explore minimal genomes and permit rapid genome evolution, the pattern of recombinations also reflects inherent properties of DNA looping required to coalesce pairs of loxPsym sites. Genomes of yeast strains generated by SCRaMbLE are analyzed here using a new statistical mechanics model, called the SCRaMbLE Polymer Interaction (SPI) model. SPI uses polymer physics to model recombinations, and implements efficient rejection sampling and histogram reweighting algorithms to conduct SCRaMbLE experiments in silico . Using SPI, we found that recombination events observed experimentally are consistent with a random walk scaling exponent ranging between 0.45 and 0.6, which spans values of 0.5 for a Gaussian polymer and 0.588 for a self-avoiding walk. SPI provides a highly accurate tool to study SCRaMbLE recombinations and massively parallel genome recombination experiments.

Mycobacterium avium (Mav) is increasingly recognized as a significant cause of morbidity, particularly in elderly patients or those with immune deficiency or underlying structural lung disease. Generally, Mav infection is treated with 2-3 antimicrobial drugs for at least 12 months. Identification of genes essential for Mav growth may yield novel strategies for improving curative therapy. We have generated saturating genome-wide transposon mutant pools in a commonly used laboratory strain of Mycobacterium avium subsp. hominissuis (MAC109) and developed a computational technique for classifying annotated genomic features as essential (ES), growth defect (GD), growth advantage (GA), or no-effect (NE) based on the in vitro effect of disruption by transposon. We identified 270 features as ES with 230 of these overlapping with ES features in Mycobacterium tuberculosis. These results may be useful for identifying drug targets or for informing studies requiring genetic manipulation of Mycobacterium avium, which should seek to avoid disrupting ES features to ensure bacterial viability.

Biological experiments often involve hypothesis testing at the scale of thousands to millions of tests. Alleviating the multiple testing burden has been a goal of many methods designed to boost test power by focusing tests on the alternative hypotheses most likely to be true. Very often, these methods either explicitly or implicitly make use of prior probabilities that bias significance for favored sets thought to be enriched for significant finding. Nevertheless, most genomics experiments, and in particular genome-wide association studies (GWAS), still use traditional univariate tests rather than more sophisticated approaches. Here we use GWAS to demonstrate why unbiased tests remain in favor. We calculate test power assuming perfect knowledge of a prior distribution and then derive the population size increase required to provided the same boost without a prior. We show that population size is exponentially more important than prior, providing a rigorous explanation for the observed avoidance of prior-based methods.

Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ), the causative agent of tuberculosis (TB), poses a global health challenge and is responsible for over a million deaths each year. Current treatment is lengthy and complex, and new, abbreviated regimens are urgently needed. Mtb adapts to nutrient starvation, a condition experienced during host infection, by shifting its metabolism and becoming tolerant to the killing activity of bactericidal antibiotics. An improved understanding of the mechanisms mediating antibiotic tolerance in Mtb can serve as the basis for developing more effective therapies. We performed a forward genetic screen to identify candidate Mtb genes involved in tolerance to the two key first-line antibiotics, rifampin and isoniazid, under nutrient-rich and nutrient-starved conditions. In nutrient-rich conditions, we found 220 mutants with differential antibiotic susceptibility (218 in the rifampin screen and 2 in the isoniazid screen). Following Mtb adaptation to nutrient starvation, 82 mutants showed differential antibiotic susceptibility (80 in the rifampin screen and 2 in the isoniazid screen). Using targeted mutagenesis, we validated the rifampin-hypersusceptible phenotype under nutrient starvation in Mtb mutants lacking the following genes: ercc3 , moeA1 , rv0049 , and rv2179c . These findings shed light on potential therapeutic targets, which could help shorten the duration and complexity of antitubercular regimens.Treatment of Mtb infection requires a long course of combination antibiotics, likely due to subpopulations of tolerant bacteria exhibiting decreased susceptibility to antibiotics. Identifying and characterizing the genetic pathways involved in antibiotic tolerance is expected to yield therapeutic targets for the development of novel TB treatment-shortening regimens.