A single gene can partake in several biological processes, and therefore gene deletions can lead to different--sometimes unexpected--phenotypes. However, it is not always clear whether such pleiotropy reflects the loss of a unique molecular activity involved in different processes or the loss of a multifunctional protein. Here, using Saccharomyces cerevisiae metabolism as a model, we systematically test the null hypothesis that enzyme phenotypes depend on a single annotated molecular function, namely their catalysis. We screened a set of carefully selected genes by quantifying the contribution of catalysis to gene-deletion phenotypes under different environmental conditions. While most phenotypes were explained by loss of catalysis, 30% could be readily complemented by a catalytically-inactive enzyme. Such non-catalytic phenotypes were frequent in the Alt1 and Bat2 transaminases and in the isoleucine/valine-biosynthetic enzymes Ilv1 and Ilv2, suggesting novel "moonlighting" activities in these proteins. Furthermore, differential genetic-interaction profiles of gene-deletion and catalytic mutants indicated that ILV1 is functionally associated to regulatory processes, specifically to chromatin modification. Our systematic study shows that gene-loss phenotypes and their genetic interactions are frequently not driven by the loss of an annotated catalytic function, underscoring the moonlighting nature of cellular metabolism.

Gene duplication is a driver of the evolution of new functions. The duplication of genes encoding homomeric proteins leads to the formation of homomers and heteromers of paralogs, creating new complexes after a single duplication event. The loss of these heteromers may be required for the two paralogs to evolve independent functions. Using yeast as a model, we find that heteromerization is frequent among duplicated homomers and correlates with functional similarity between paralogs. Using in silico evolution, we show that for homomers and heteromers sharing binding interfaces, mutations in one paralog can have structural pleiotropic effects on both interactions, resulting in highly correlated responses of the complexes to selection. Therefore, heteromerization could be preserved indirectly due to selection for the maintenance of homomers, thus slowing down functional divergence between paralogs. We suggest that paralogs can overcome the obstacle of structural pleiotropy by regulatory evolution at the transcriptional and post-translational levels.

Abstract Gene duplication is ubiquitous and a major driver of phenotypic diversity across the tree of life, but its immediate consequences are not fully understood. Deleterious effects would decrease the probability of retention of duplicates and prevent their contribution to long term evolution. One possible detrimental effect of duplication is the perturbation of the stoichiometry of protein complexes. Here, we measured the fitness effects of the duplication of 899 essential genes in the budding yeast using high-resolution competition assays. At least ten percent of genes caused a fitness disadvantage when duplicated. Intriguingly, the duplication of most protein complex subunits had small to non-detectable effects on fitness, with few exceptions. We selected four complexes with subunits that had an impact on fitness when duplicated and measured the impact of individual gene duplications on their protein-protein interactions. We found that very few duplications affect both fitness and interactions. Furthermore, large complexes such as the 26S proteasome are protected from gene duplication by attenuation of protein abundance. Regulatory mechanisms that maintain the stoichiometric balance of protein complexes may protect from the immediate effects of gene duplication. Our results show that a better understanding of protein regulation and assembly in complexes is required for the refinement of current models of gene duplication.

ABSTRACT Barcode fusion genetics (BFG) utilizes deep sequencing to improve the throughput of protein-protein interaction (PPI) screening in pools. BFG has been implemented in Yeast two-hybrid (Y2H) screens (BFG-Y2H). While Y2H requires test protein pairs to localize in the nucleus for reporter reconstruction, Dihydrofolate Reductase Protein-Fragment Complementation Assay (DHFR-PCA) allows proteins to localize in broader subcellular contexts and proves to be largely orthogonal to Y2H. Here, we implemented BFG to DHFR-PCA (BFG-PCA). This plasmid-based system can leverage ORF collections across model organisms to perform comparative analysis, unlike the original DHFR-PCA that requires yeast genomic integration. The scalability and quality of BFG-PCA were demonstrated by screening human and yeast interactions for >11,000 protein pairs. BFG-PCA showed high-sensitivity and high-specificity for capturing known interactions for both species. BFG-Y2H and BFG-PCA capture distinct sets of PPIs, which can partially be explained based on the domain orientation of the reporter tags. BFG-PCA is a high-throughput protein interaction technology to interrogate binary PPIs that exploits clone collections from any species of interest, expanding the scope of PPI assays.