Abstract Commitment to cell division at the end of G1 phase, termed Start in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, is strongly influenced by nutrient availability. To identify new dominant activators of Start that might operate under different nutrient conditions, we screened a genome-wide ORF overexpression library for genes that bypass a Start arrest caused by absence of the G1 cyclin Cln3 and the transcriptional activator Bck2. We recovered a hypothetical gene YLR053c, renamed NRS1 for Nitrogen-Responsive Start regulator 1, which encodes a poorly characterized 108 amino acid microprotein. Endogenous Nrs1 was nuclear-localized, restricted to poor nitrogen conditions, induced upon mTORCl inhibition, and cell cycle-regulated with a peak at Start. NRS1 interacted genetically with SWI4 and SWI6, which encode subunits of the main G1/S transcription factor complex SBF. Correspondingly, Nrs1 physically interacted with Swi4 and Swi6 and was localized to G1/S promoter DNA. Nrs1 exhibited inherent transactivation activity and fusion of Nrs1 to the SBF inhibitor Whi5 was sufficient to suppress other Start defects. Nrs1 appears to be a recently evolved microprotein that rewires the G1/S transcriptional machinery under poor nitrogeny conditions. Author Summar Unicellular microorganisms must adapt to ever-changing nutrient conditions and hence must adjust cell growth and proliferation to maximize fitness. In the budding yeast Saccharomyces cerevisiae , commitment to cell division, termed Start, is heavily influenced by nutrient availability. Our understanding of how Start is activated is based mainly on experiments carried out under rich nutrient conditions. To identify potential new Start regulators specific to poor nutrient environments, we screened for genes able to bypass a genetic Start arrest caused by loss of the G1 cyclin Cln3 and the transcriptional activator Bck2. This screen uncovered YLR053c , which we renamed NRS1 for Nitrogen-Responsive Start regulator. Sequence analysis across yeast species indicated that Nrs1 is a recently-evolved microprotein. We showed that NRS1 is nutrient- and cell cycle-regulated, and directly binds the main G1/S transcription factor complex SBF. We demonstrated that Nrs1 has an intrinsic trans-activation activity and provided genetic evidence to suggest that Nrs1 can bypass the requirement for normal Cln3-dependent activation of G1/S transcription. These results uncover a new mechanism of Start activation and illustrate how microproteins can rapidly emerge to rewire fundamental cellular processes.

ABSTRACT Increased nuclear size correlates with lower survival rates for prostate cancer and is a hallmark of late-stage androgen-insensitive tumors. The short-chain dehydrogenase/reductase (SDR) family member DHRS7 was suggested as a marker for prostate cancer grading because it is lost in late-stage androgen-insensitive tumors. Here we find that loss of DHRS7 from the early-stage LNCaP prostate cancer cell line increases nuclear size, potentially explaining the nuclear size increase observed in higher-grade prostate tumors. Exogenous expression of DHRS7 in the late-stage PC3 prostate cancer cell line correspondingly decreases nuclear size. We separately tested 80 compounds from the Microsource Spectrum library for their ability to restore normal nuclear size to PC3 cells, finding estradiol propionate had the same effect as re-expression of DHRS7 in the PC3 cells. However, the drug had no effect on LNCaP cells or PC3 cells re-expressing DHRS7. We speculate that reported beneficial effects of estrogens in late-stage prostate cancer may target a pathway which is only active in cells lacking DHRS7 that have increased nuclear size and propose DHRS7 as a potential biomarker for the likely effectiveness of estrogen-based treatments.

Lower survival rates for many cancer types correlate with increases or decreases in nuclear size/scaling in a tumor-type/tissue-specific manner. Postulating that nuclear size changes confer a fitness advantage on tumor cells, we screened for FDA/EMA-approved compounds that reverse tumor nuclear size changes in cell lines from three such tumor types: prostate adenocarcinoma, colonic adenocarcinoma, and small-cell squamous lung cancer. We found distinct, largely non-overlapping sets of compounds that either rectify or exacerbate nuclear size changes for each tumor type. Nuclear size phenotypes across cell lines clustered particular classes of compounds including serotonin uptake inhibitors, cyclo-oxygenase inhibitors, beta-adrenergic receptor agonists, monoamine oxidase inhibitors, and Na+/K+ ATPase inhibitors. Nearly all compounds selected for further investigation inhibited cell migration and/or invasion, suggesting that targeting nuclear size control pathways in chemotherapy regimens could improve patient survival.

The spatio-temporal organization of transcription factor (TF)-promoter interactions is critical for the coordination of transcriptional programs. In budding yeast, the main G1/S transcription factors, SBF and MBF, are limiting with respect to target promoters in small G1 phase cells and accumulate as cells grow, raising the question of how SBF/MBF are dynamically distributed across the G1/S regulon. Super-resolution Photo-Activatable Localization Microscopy (PALM) mapping of the static positions of SBF/MBF subunits revealed that 85% were organized into discrete clusters containing ∼8 copies regardless of cell size, while the number of clusters increased with growth. Stochastic simulations with a mathematical model based on co-localization of promoters in clusters recapitulated observed cluster behavior. A prediction of the model that SBF/MBF should exhibit both fast and slow dynamics was confirmed in PALM experiments on live cells. This spatio-temporal organization of the TFs that activate the G1/S regulon may help coordinate commitment to division.