Candida albicans is the most prevalent fungal pathogen associated with candidemia. Similar to other fungi, the complex life cycle of C. albicans has been challenging to study with high-resolution microscopy due to its small size. Here, we employed ultrastructure expansion microscopy (U-ExM) to directly visualise subcellular structures at high resolution in the yeast and during its transition to hyphal growth. N-hydroxysuccinimide (NHS)-ester pan-labelling in combination with immunofluorescence via snapshots of various mitotic stages provided a comprehensive map of nucleolar and mitochondrial segregation dynamics and enabled the resolution of the inner and outer plaque of spindle pole bodies (SPBs). Analyses of microtubules (MTs) and SPBs suggest that C. albicans displays a side-by-side SPB arrangement with a short mitotic spindle and longer astral MTs (aMTs) at the pre-anaphase stage. Modifications to the established U-ExM protocol enabled the expansion of six other human fungal pathogens, revealing that the side-by-side SPB configuration is a plausibly conserved feature shared by many fungal species. We highlight the power of U-ExM to investigate subcellular organisation at high resolution and low cost in poorly studied and medically relevant microbial pathogens.

Abstract The eukaryotic cell division machinery must rapidly and reproducibly duplicate and partition the cell’s chromosomes in a carefully coordinated process. However, chromosome numbers vary dramatically between genomes, even on short evolutionary timescales. We sought to understand how the mitotic machinery senses and responds to karyotypic changes by using a series of budding yeast strains in which the native chromosomes have been successively fused. Using a combination of cell biological profiling, genetic engineering and experimental evolution, we show that chromosome fusions are well tolerated up until a critical point. Cells with fewer than five centromeres lack the necessary number of kinetochore-microtubule attachments needed to counter outward forces in the metaphase spindle, triggering the spindle assembly checkpoint and prolonging metaphase. Our findings demonstrate that spindle architecture is a constraining factor for karyotype evolution.

Abstract Candida albicans is the most prevalent fungal pathogen isolated from patients with candidemia. As is the case for many other fungi, the complex life cycle of C. albicans has been challenging to study with high-resolution microscopy techniques due to its small size. We employed ultrastructure expansion microscopy (U-ExM) to directly visualise sub-cellular structures at high resolution in the C. albicans yeast and during its transition to hyphal growth. NHS-ester pan-labelling in combination with immunofluorescence (IF) provided the first comprehensive map of nucleolar and mitochondrial dynamics through the C. albicans cell cycle. Analysis of microtubules (MTs) and spindle pole bodies (SPBs) stained with marker proteins suggests that contrary to the pole-to-pole arrangement observed in Saccharomyces cerevisiae, C. albicans yeast cells display a unique side-by-side arrangement of SPBs with a short mitotic spindle and longer astral MTs (aMTs) at the pre-anaphase stage. Modifications to the established U-ExM protocol enabled the expansion of several medically relevant human fungal pathogens, revealing that the side-by-side SPB configuration is a plausible conserved feature shared by many fungal species. We highlight the power of U-ExM to investigate sub-cellular organisation and organellar dynamics at high resolution and low cost in poorly studied, medically relevant microbial pathogens.

The eukaryotic cell division machinery must rapidly and reproducibly duplicate and partition the cell's chromosomes in a carefully coordinated process. However, chromosome number varies dramatically between genomes, even on short evolutionary timescales. We sought to understand how the mitotic machinery senses and responds to karyotypic changes by using a set of budding yeast strains in which the native chromosomes have been successively fused. Using a combination of cell biological profiling, genetic engineering, and experimental evolution, we show that chromosome fusions are well tolerated up until a critical point. However, with fewer than five centromeres, outward forces in the metaphase spindle cannot be countered by kinetochore-microtubule attachments, triggering mitotic defects. Our findings demonstrate that spindle architecture is a constraining factor for karyotype evolution.

Genomic rearrangements associated with speciation often result in chromosome number variation among closely related species. Malassezia species show variable karyotypes ranging between 6 and 9 chromosomes. Here, we experimentally identified all 8 centromeres in M. sympodialis as 3 to 5 kb long kinetochore-bound regions spanning an AT-rich core and depleted of the canonical histone H3. Centromeres of similar sequence features were identified as CENP-A-rich regions in Malassezia furfur with 7 chromosomes, and histone H3 depleted regions in Malassezia slooffiae and Malassezia globosa with 9 chromosomes each. Analysis of synteny conservation across centromeres with newly generated chromosome-level genome assemblies suggests two distinct mechanisms of chromosome number reduction from an inferred 9-chromosome ancestral state: (a) chromosome breakage followed by loss of centromere DNA and (b) centromere inactivation accompanied by changes in DNA sequence following chromosome-chromosome fusion. We propose AT-rich centromeres drive karyotype diversity in the Malassezia species complex through breakage and inactivation.

Emerging studies hint at the roles of autophagy-related proteins in various cellular processes in a eukaryotic cell. To understand if autophagy-related proteins influence genome stability, we examined a cohort of 35 autophagy mutants in Saccharomyces cerevisiae. We observed cells lacking Atg11 show poor mitotic stability of minichromosomes. Atg11 molecules dynamically localize to the spindle pole bodies (SPBs). Loss of Atg11 leads to a delayed cell cycle progression. Such cells accumulate at metaphase at an elevated temperature that is relieved when the spindle assembly checkpoint is inactivated. Indeed, atg11∆ cells have stabilized securin levels, that prevent anaphase onset, confirming chromosome biorientation defects associated with the mutant. Atg11 functions in the Kar9-dependent spindle positioning pathway and maintains Kar9 asymmetry by facilitating proper dynamic instability of astral microtubules (aMTs). Taken together, this study uncovers a non-canonical role of Atg11 in facilitating MT dynamics crucial for chromosome segregation.

A series of well-synchronized events mediated by kinetochore-microtubule interactions ensure faithful chromosome segregation in eukaryotes. Centromeres scaffold kinetochore assembly and are among the fastest evolving chromosomal loci in terms of the DNA sequence, length, and organization of intrinsic elements. Neither the centromere structure nor the kinetochore dynamics is well studied in plant pathogenic fungi. Here, we sought to understand the process of chromosome segregation in the rice blast fungus, Magnaporthe oryzae. High-resolution confocal imaging of GFP-tagged inner kinetochore proteins, CenpA and CenpC, revealed an unusual albeit transient declustering of centromeres just before anaphase separation in M. oryzae. Strikingly, the declustered centromeres positioned randomly at the spindle midzone without an apparent metaphase plate per se. Using chromatin immunoprecipitation followed by deep sequencing, all seven centromeres were identified as CenpA-rich regions in the wild-type Guy11 strain of M. oryzae. The centromeres in M. oryzae are regional and span 57 to 109 kb transcriptionally poor regions. No centromere-specific DNA sequence motif or repetitive elements could be identified in these regions suggesting an epigenetic specification of centromere function in M. oryzae. Highly AT-rich and heavily methylated DNA sequences were the only common defining features of all the centromeres in rice blast fungus. PacBio genome assemblies and synteny analyses facilitated comparison of the centromere regions in distinct isolate(s) of rice blast, wheat blast, and in M. poae. Overall, this study identified unusual centromere dynamics and precisely mapped the centromere DNA sequences in the top model fungal pathogens that belong to the Magnaporthales and cause severe losses to global production of food crops and turf grasses.

Abstract Aging is associated with altered mitochondrial function. Mitochondrial function is dependent on the magnesium (Mg +2 ) ion flux. The molecular mechanism underlying Mg +2 homeostasis, especially during aging has not been well understood. We previously demonstrated that the absence of a vacuolar ion transporter Mnr2 accelerates cell death in the older part of the colony in Magnaporthe oryzae presumably due to an altered Mg +2 homeostasis. Localization of Mnr2 as dynamic puncta at the vacuolar membrane especially in the older Magnaporthe cells further suggests its association with aged cells. Interestingly, such vacuolar Mnr2 puncta colocalized with the filamentous mitochondria in the aged cells. Further, we show that aged mnr2 Δ null cells displayed loss of integrity of mitochondria and vacuoles. Remarkably, exogenously added Mg +2 restored the mitochondrial structure as well as improved the lifespan of mnr2 Δ null cells. Thus, we uncover a mechanism of maintenance of mitochondrial integrity and function by the ion transporter Mnr2-based Mg +2 homeostasis during aging.