Abstract How genome instability is harnessed for fitness gain despite its potential deleterious effects is largely elusive. An ideal system to address this important open question is provided by the protozoan pathogen Leishmania , which exploits frequent variations in chromosome and gene copy number to regulate expression levels. Using ecological genomics and experimental evolution approaches we provide first evidence that Leishmania adaptation relies on epistatic interactions between functionally associated gene copy number variations in pathways driving fitness gain in a given environment. We further uncover post-transcriptional regulation as a key mechanism that compensates for deleterious gene dosage effects and provides phenotypic robustness to genetically heterogenous parasite populations. Finally, we correlate dynamic variations in snoRNA gene dosage with changes in rRNA 2’- O -methylation and pseudouridylation, suggesting translational control is an additional layer of parasite adaptation. Leishmania genome instability is thus harnessed for fitness gain by genome-dependent variations in gene expression, and genome-independent, compensatory mechanisms. This allows for polyclonal adaptation and maintenance of genetic heterogeneity despite strong selective pressure. The epistatic adaptation described here needs to be considered in Leishmania epidemiology and biomarker discovery, and may be relevant to other fast evolving, eukaryotic cells that exploit genome instability for adaptation, such as fungal pathogens or cancer. One Sentence Summary Epistatic interactions harness genome instability for Leishmania fitness gain.

Abstract The protozoan parasite Leishmania donovani causes fatal human visceral leishmaniasis in absence of treatment. Genome instability has been recognized as a driver in Leishmania fitness gain in response to environmental change or chemotherapy. How genome instability generates beneficial phenotypes despite potential deleterious gene dosage effects is unknown. Here we address this important open question applying experimental evolution and integrative systems approaches on parasites adapting to in vitro culture. Phenotypic analyses of parasites from early and late stages of culture adaptation revealed an important fitness tradeoff, with selection for accelerated growth in promastigote culture (fitness gain) impairing infectivity (fitness costs). Comparative genomics, transcriptomics and proteomics analyses revealed a complex regulatory network driving parasite fitness, with genome instability causing highly reproducible, gene dosage-dependent changes in protein abundance linked to post-transcriptional regulation. These in turn were associated with a gene dosage-independent reduction in abundance of flagellar transcripts and a coordinated increase in abundance of coding and non-coding RNAs implicated in ribosomal biogenesis and protein translation. We correlated differential expression of small nucleolar RNAs (snoRNAs) with changes in rRNA modification, providing first evidence that Leishmania fitness gain in culture may be controlled by post-transcriptional and epitranscriptomic regulation. Our findings propose a novel model for Leishmania fitness gain in culture, where differential regulation of mRNA stability and the generation of fitness-adapted ribosomes may potentially filter deleterious from beneficial gene dosage effects and provide proteomic robustness to genetically heterogenous, adapting parasite populations. This model challenges the current, genome-centric approach to Leishmania epidemiology and identifies the Leishmania transcriptome and non-coding small RNome as potential novel sources for the discovery of biomarkers that may be associated with parasite phenotypic adaptation in clinical settings.