ABSTRACT Mistranslation, the mis-incorporation of an amino acid not specified by the “standard” genetic code, occurs in all organisms. tRNA variants that increase mistranslation arise spontaneously and engineered tRNAs can achieve mistranslation frequencies approaching 10% in yeast and bacteria. Interestingly, human genomes contain tRNA variants with the potential to mistranslate. Cells cope with increased mistranslation through multiple mechanisms, though high levels cause proteotoxic stress. The goal of this study was to compare the genetic interactions and the impact on transcriptome and cellular growth of two tRNA variants that mistranslate at a similar frequency but create different amino acid substitutions in Saccharomyces cerevisiae. One tRNA variant inserts alanine at proline codons whereas the other inserts serine for arginine. Both tRNAs decreased growth rate, with the effect being greater for arginine to serine than for proline to alanine. The tRNA that substituted serine for arginine resulted in a heat shock response. In contrast, heat shock response was minimal for proline to alanine substitution. Further demonstrating the significance of the amino acid substitution, transcriptome analysis identified unique up- and downregulated genes in response to each mistranslating tRNA. Number and extent of negative synthetic genetic interactions also differed depending upon type of mistranslation. Based on the unique responses observed for these mistranslating tRNAs, we predict that the potential of mistranslation to exacerbate diseases caused by proteotoxic stress depends on the tRNA variant. Furthermore, based on their unique transcriptomes and genetic interactions, different naturally occurring mistranslating tRNAs have the potential to negatively influence specific diseases.

ABSTRACT Transfer RNA (tRNA) variants that alter the genetic code increase protein diversity and have many applications in synthetic biology. Since the tRNA variants can cause a loss of proteostasis, regulating their expression is necessary to achieve high levels of novel protein. Mechanisms to positively regulate transcription with exogenous activator proteins like those often used to regulate RNA polymerase II (RNAP II) transcribed genes are not applicable to tRNAs as their expression by RNA polymerase III requires elements internal to the tRNA. Here, we show that tRNA expression is repressed by overlapping transcription from an adjacent RNAP II promoter. Regulating the expression of the RNAP II promoter allows inverse regulation of the tRNA. Placing either Gal4 or TetR-VP16 activated promoters downstream of a mistranslating tRNA Ser variant that mis-incorporates serine at proline codons in Saccharomyces cerevisiae allows mistranslation at a level not otherwise possible because of the toxicity of the unregulated tRNA. Using this inducible tRNA system, we explore the proteotoxic effects of mistranslation on yeast cells. High levels of mistranslation cause cells to arrest in G1 phase. These cells are impermeable to propidium iodide, yet growth is not restored upon repressing tRNA expression. High levels of mistranslation increase cell size and alter cell morphology. This regulatable tRNA expression system can be applied to study how native tRNAs and tRNA variants affect the proteome and other biological processes. Variations of this inducible tRNA system should be applicable to other eukaryotic cell types.

Proteotoxic stress triggers transcriptional responses that allow cells to compensate for the accumulation of toxic misfolded proteins. Chromatin remodeling regulates gene expression in response to the accumulation of misfolded polyQ proteins associated with Huntington’s disease (HD). Tra1 is an essential component of both the SAGA/SLIK and NuA4 transcription co-activator complexes and is linked to multiple cellular processes associated with misfolded protein stress, including the heat shock response. Cells with compromised Tra1 activity display phenotypes distinct from deletions encoding components of the SAGA and NuA4 complexes, indicating a potentially unique regulatory role of Tra1 in the cellular response to protein misfolding. Here, we employed a yeast model of HD to define how the expression of toxic polyQ expansion proteins affects Tra1 expression and function. Expression of expanded polyQ proteins, mimics deletion of SAGA/NuA4 components and results in growth defects under stress conditions. Moreover, deleting genes encoding SAGA and, to a lesser extent, NuA4 components exacerbates polyQ toxicity. Also, cells carrying a mutant Tra1 allele displayed increased sensitivity to polyQ toxicity. Interestingly, expression of polyQ proteins also upregulated the expression of TRA1 and other genes encoding SAGA components, revealing a feedback mechanism aimed at maintaining Tra1and SAGA functional integrity. Moreover, deleting the TORC1 (Target of Rapamycin) effector SFP1 specifically abolished upregulation of TRA1 upon expression of polyQ proteins. While Sfp1 is known to adjust ribosome biogenesis and cell size in response to stress, we identified a new role for Sfp1 in the control of Tra1, linking TORC1 and cell growth regulation to functions of the SAGA acetyltransferase complex during misfolded protein stress.

ABSTRACT Transfer RNA variants increase the frequency of mistranslation, the mis-incorporation of an amino acid not specified by the “standard” genetic code, to frequencies approaching 10% in yeast and bacteria. Cells cope with these variants by having multiple copies of each tRNA isodecoder and through pathways that deal with proteotoxic stress. In this study, we define the genetic interactions of the gene encoding tRNA Ser UGG,G26A , which mistranslates serine at proline codons. Using a collection of yeast temperature sensitive alleles, we identify negative synthetic genetic interactions between the mistranslating tRNA and 109 alleles representing 91 genes, with nearly half of the genes having roles in RNA processing or protein folding and turnover. By regulating tRNA expression, we then compare the strength of the negative genetic interaction for a subset of identified alleles under differing amounts of mistranslation. The frequency of mistranslation correlated with impact on cell growth for all strains analyzed; however, there were notable differences in the extent of the synthetic interaction at different frequencies of mistranslation depending on the genetic background. For many of the strains the extent of the negative interaction with tRNA Ser UGG,G26A was proportional to the frequency of mistranslation or only observed at intermediate or high frequencies. For others the synthetic interaction was approximately equivalent at all frequencies of mistranslation. As humans contain similar mistranslating tRNAs these results are important when analyzing the impact of tRNA variants on disease, where both the individual’s genetic background and the expression of the mistranslating tRNA variant need to be considered.

ABSTRACT Gene expression undergoes considerable changes during the aging process. The mechanisms regulating the transcriptional response to cellular aging remain poorly understood. Here, we employ the budding yeast Saccharomyces cerevisiae to better understand how organisms adapt their transcriptome to promote longevity. Chronological lifespan (CLS) assays in yeast measure the survival of non-dividing cells at stationary phase over time, providing insights into the aging process of post-mitotic cells. Tra1 is an essential component of both the yeast SAGA/SLIK and NuA4 complexes, where it recruits these complexes to acetylate histones at targeted promoters. Importantly, Tra1 regulates the transcriptional response to multiple stresses. To evaluate the role of Tra1 in chronological aging, we took advantage of a previously characterized mutant allele that carries mutations in the TRA1 PI3K domain ( tra1 Q3 ). We found that loss of functions associated with tra1 Q3 sensitized cells to growth media acidification and shortens lifespan. Transcriptional profiling reveals that genes differentially regulated by Tra1 during the aging process are enriched for components of the response to stress. Notably, expression of catalases ( CTA1, CTT1 ) involved in hydrogen peroxide detoxification decreases in chronologically aged tra1 Q3 cells. Consequently, they display increased sensitivity to oxidative stress. tra1 Q3 cell s are unable to grow on glycerol indicating a defect in mitochondria function. Aged tra1 Q3 cell s also display reduced expression of peroxisomal genes, exhibit decreased numbers of peroxisomes and cannot grow on media containing oleate. Thus, Tra1 emerges as an important regulator of longevity in yeast via multiple mechanisms.

Abstract Transfer RNAs (tRNAs) maintain translation fidelity through accurate charging by their cognate aminoacyl-tRNA synthetase and codon:anticodon base pairing with the mRNA at the ribosome. Mistranslation occurs when an amino acid not specified by the genetic message is incorporated into proteins and has applications in biotechnology, therapeutics and is relevant to disease. Since the alanyl-tRNA synthetase uniquely recognizes a G3:U70 base pair in tRNA Ala and the anticodon plays no role in charging, tRNA Ala variants with anticodon mutations have the potential to mis-incorporate alanine. Here, we characterize the impact of the 60 non-alanine tRNA Ala anticodon variants on the growth of Saccharomyces cerevisiae . Overall, 36 tRNA Ala anticodon variants decreased growth in single-or multi-copy. Mass spectrometry analysis of the cellular proteome revealed that 52 of 57 anticodon variants, not decoding alanine or stop codons, induced mistranslation when on single-copy plasmids. Variants with G/C rich anticodons resulted in larger growth deficits than A/U rich variants. In most instances, synonymous anticodon variants impact growth differently, with anticodons containing U at base 34 being the least impactful. For anticodons generating the same amino acid substitution, reduced growth generally correlated with the abundance of detected mistranslation events. Differences in decoding specificity, even between synonymous anticodons, resulted in each tRNA Ala variant mistranslating unique sets of peptides and proteins. We suggest that these differences in decoding specificity are also important in determining the impact of tRNA Ala anticodon variants.

ABSTRACT Non-proteinogenic amino acids, such as the proline analog L-azetidine-2-carboxylic acid (AZC), are detrimental to cells because they are mis-incorporated into proteins and lead to proteotoxic stress. Our goal was to identify genes that show chemical-genetic interactions with AZC in Saccharomyces cerevisiae and thus also potentially define the pathways cells use to cope with amino acid mis-incorporation. Screening the yeast deletion and temperature sensitive collections, we found 72 alleles with negative synthetic interactions with AZC treatment and 12 alleles that suppress AZC toxicity. Many of the genes with negative synthetic interactions are involved in protein quality control pathways through the proteasome. Genes involved in actin cytoskeleton organization and endocytosis also had negative synthetic interactions with AZC. Related to this, the number of actin patches per cell increases upon AZC treatment. Many of the same cellular processes were identified to have interactions with proteotoxic stress caused by two other amino acid analogs, canavanine and thialysine, or a mistranslating tRNA variant that mis-incorporates serine at proline codons. Alleles that suppressed AZC-induced toxicity functioned through the amino acid sensing TOR pathway or controlled amino acid permeases required for AZC uptake.

Abstract Candida albicans is the most common cause of death from fungal infections. Emergence of resistant strains reducing the efficacy of first line therapy with echinocandins such as caspofungin calls for the identification of alternative therapeutic strategies. Tra1 is an essential component of the SAGA and NuA4 transcriptional co-activator complexes. As a PIKK family member, Tra1 is characterized by a C-terminal phosphoinositide 3-kinase domain. In Saccharomyces cerevisiae, the assembly and function of SAGA and NuA4 is compromised by a version of Tra1 (Tra1 Q3 ) with three arginine residues in the putative ATP-binding cleft changed to glutamine, Whole transcriptome analysis of the S. cerevisiae tra1 Q3 strain highlights Tra1’s role in global transcription, stress response and cell wall integrity. As a result, tra1 Q3 increases susceptibility to multiple stressors, including caspofungin. Moreover, the same tra1 Q3 allele in the pathogenic yeast Candida albicans causes similar phenotypes, suggesting that Tra1 broadly mediates the antifungal response across yeast species. Transcriptional profiling in C. albicans identified 68 genes that were differentially expressed when the tra1 Q3 strain was treated with caspofungin, as compared to gene expression changes induced by either tra1 Q3 or caspofungin alone. Included in this set were genes involved in cell wall maintenance, adhesion and filamentous growth. Indeed, the tra1 Q3 allele reduces filamentation and other pathogenesis traits in C. albicans . We identified EVP1 , which encodes a putative plasma membrane protein, amongst the Tra1-regulated genes, Disrupting EVP1 results in reduced filamentation and infection capacity in C. albicans . Thus,Tra1 emerges as a promising therapeutic target for fungal infections. Importance Fungal pathogens such as Candida albicans are important agents of infectious disease, with increasing rates of drug resistance, and limited available antifungal therapeutics. In this study, we characterize the role of C. albicans Tra1, a critical component of acetyltransferase complexes, involved in transcriptional regulation and responses to environmental stress. We find C. albicans genetic mutants with impaired Tra1 function have reduced tolerance to cell-wall targeting stressors, including the clinically-important antifungal caspofungin. We further use RNA-sequencing to profile the global fungal response to the tra1 mutation, and identify a previously uncharacterized C. albicans gene, EVP1 . We find that both TRA1 and EVP1 play an important role in phenotypes associated with fungal pathogenesis, including cellular morphogenesis, biofilm formation, and toxicity towards host immune cells. Together, this work describes the key role for Tra1 in regulating fungal drug tolerance and pathogenesis, and positions this protein as a promising therapeutic target for fungal infections.