Abstract Two fission yeast mitotic activators, Cdc13 and Cdc25, have been shown to increase in concentration in correlation with cell size, and have been proposed to thereby regulate cell size at division. Here, we show that the expression of both Cdc13 and Cdc25 are, in fact, size dependent, as apposed to simply sizecorrelated due to time-dependent expression. However, we also find that their size dependence is regulated by different mechanisms. Cdc25 was known to be regulated transcriptionally. Here, we show that Cdc13 is regulated translationally. Its transcript is not expression is a size-dependent manner, rather a size-dependent concentration of protein is expressed from a size-independent concentration of mRNA. Moreover, the degradation rate of Cdc13 is not size dependent, implicating size-dependent translation in its regulation. We identify a 20-amino-acid motif, which includes the APC D-box degron, as necessary and sufficient for sizedependent expression, which allowed us to construct a size-independent allele of cdc13 . Using this allele, in combination with a size-independent allele of cdc25 , expressed from a size-independent promoter, we show that size-dependent expression of neither Cdc13 nor Cdc25 is required for size control, nor are the redundantly required for size control.

Proper cell size is essential for cellular function (Hall et al., 2004). Nonetheless, despite more than 100 years of work on the subject, the mechanisms that maintain cell size homeostasis are largely mysterious (Marshall et al., 2012). Cells in growing populations maintain cell size within a narrow range by coordinating growth and division. Bacterial and eukaryotic cells both demonstrate homeostatic size control, which maintains population-level variation in cell size within a certain range, and returns the population average to that range if it is perturbed (Marshall et al., 2012; Turner et al., 2012; Amodeo and Skotheim, 2015). Recent work has proposed two different strategies for size control: budding yeast has been proposed to use an inhibitor-dilution strategy to regulate size at the G1/S transition (Schmoller et al., 2015), while bacteria appear to use an adder strategy, in which a fixed amount of growth each generation causes cell size to converge on a stable average, a mechanism also suggested for budding yeast (Campos et al., 2014; Jun and Taheri-Araghi, 2015; Taheri-Araghi et al., 2015; Tanouchi et al., 2015; Soifer et al., 2016). Here we present evidence that cell size in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe is regulated by a third strategy: the size dependent expression of the mitotic activator Cdc25. The cdc25 transcript levels are regulated such that smaller cells express less Cdc25 and larger cells express more Cdc25, creating an increasing concentration of Cdc25 as cell grow and providing a mechanism for cell to trigger cell division when they reach a threshold concentration of Cdc25. Since regulation of mitotic entry by Cdc25 is well conserved, this mechanism may provide a wide spread solution to the problem of size control in eukaryotes.

Cell-to-cell variability is central for microbial populations and contributes to cell function, stress adaptation and drug resistance. Gene-expression heterogeneity underpins this variability, but has been challenging to study genome-wide. Here, we report an integrated approach for imaging of individual fission yeast cells followed by single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and novel Bayesian normalisation. We analyse >2000 single cells and >700 matching RNA controls in various environmental conditions and identify sets of highly variable genes. Combining scRNA-seq with cell-size measurements provides unique insights into genes regulated during cell growth and division in single cells, including genes whose expression does not scale with cell size. We further analyse the heterogeneity and dynamics of gene expression during adaptive and acute responses to changing environments. Entry into stationary phase is preceded by a gradual, synchronised adaptation in gene regulation, followed by highly variable gene expression when growth decreases. Conversely, a sudden and acute heat-shock leads to a stronger and coordinated response and adaptation across cells. This analysis reveals that the extent and dynamics of global gene-expression heterogeneity is regulated in response to different physiological conditions within populations of a unicellular eukaryote. In summary, this works illustrates the potential of combined transcriptomics and imaging analysis in single cells to provide comprehensive and unbiased mechanistic understanding of cell-to-cell variability in microbial communities.

Condensins are genome organisers that shape chromosomes and promote their accurate transmission. Several studies have also implicated condensins in gene expression, although the mechanisms have remained enigmatic. Here, we report on the role of condensin in gene expression in fission and budding yeasts. In contrast to previous studies, we provide compelling evidence that condensin plays no direct role in the maintenance of the transcriptome, neither during interphase nor during mitosis. We further show that the changes in gene expression in post-mitotic fission yeast cells that result from condensin inactivation are largely a consequence of chromosome missegregation during anaphase, which notably depletes the RNA-exosome from daughter cells. Crucially, preventing karyotype abnormalities in daughter cells restores a normal transcriptome despite condensin inactivation. Thus, chromosome instability, rather than a direct role of condensin in the transcription process, changes gene expression. This knowledge challenges the concept of gene regulation by canonical condensin complexes.

Aberrant repair of DNA double-strand breaks can recombine distant pairs of chromosomal breakpoints. Such chromosomal rearrangements are a hallmark of ageing and markedly compromise genome structure and function. Rearrangements are challenging to detect in genomes of non-dividing cell populations, because they reflect individually rare, heterogeneous events. The genomic distribution of de novo rearrangements in non-dividing cells, and their dynamics during ageing, remain therefore poorly characterized. Studies of genomic instability in ageing cells have focused on mitochondrial DNA, small genetic variants, or proliferating cells. To gain a better understanding of genome rearrangements during chronological ageing, we reduced their complexity to a single diagnostic measure, the DNA breakpoint junctions, allowing us to interrogate the changing genomic landscape in non-dividing cells of fission yeast (Schizosaccharomyces pombe). Aberrant DNA junctions that accumulated with age were associated with microhomology sequences and gene transcription. We present an unexpected cause of genomic instability, where age-associated reduction in an RNA-binding protein could trigger R-loop formation at target loci. This example suggests that physiological changes in processes un-related to transcription or replication can drive genome rearrangements. We also identified global hotspots for age-associated breakpoint formation, near telomeric genes and binding sites of genome regulators, linked to remote breakpoints on the same or different chromosomes. Notably, we uncovered similar signatures of genome rearrangements that accumulated in old brain cells of humans. These findings provide fresh insights into the unique patterns and potential mechanisms of genome rearrangements in non-dividing cells, which can be triggered by ageing-related changes in gene-regulation proteins.

Genomes produce widespread long non-coding RNAs (lncRNAs) of largely unknown functions. We characterize aal1 (aging-associated lncRNA) which is induced in quiescent cells of fission yeast. Deletion of aal1 shortens the chronological lifespan of non-dividing cells, while ectopic overexpression of aal1 prolongs their lifespan, indicating that this lncRNA acts in trans. The overexpression of aal1 leads to the repression of ribosomal protein genes and inhibition of cell growth, and aal1 genetically interacts with coding genes functioning in protein translation. The aal1 RNA localizes to the cytoplasm and associates with ribosomes. Notably, aal1 deletion or overexpression is sufficient to increase or decrease the cellular ribosome content. The rpl1901 mRNA, encoding a ribosomal protein, is a binding target of aal1. The levels of rpl1901 are reduced ~2-fold by aal1, which is critical and sufficient to extend the lifespan. Remarkably, the expression of aal1 lncRNA in Drosophila triggers an extension of fly lifespan. We propose that aal1 reduces the ribosome content by decreasing the levels of Rpl1901, thus attenuating protein translation and promoting longevity. Although the aal1 lncRNA itself is not conserved, its effect in flies raises the possibility that animals feature related mechanisms that modulate aging, based on the conserved translational machinery.

Cell size varies during the cell cycle and in response to external stimuli. This requires the tight coordination, or “scaling”, of mRNA and protein quantities with the cell volume in order to maintain biomolecules concentrations and cell density. Evidence in cell populations and single cells indicates that scaling relies on the coordination of mRNA transcription rates with cell size. Here we use a combination of single-molecule fluorescence in situ hybridisation (smFISH), time-lapse microscopy and mathematical modelling in single fission yeast cells to uncover the precise molecular mechanisms that control transcription rates scaling with cell size. Linear scaling of mRNA quantities is apparent in single fission yeast cells during a normal cell cycle. Transcription rates of both constitutive and regulated genes scale with cell size without evidence for transcriptional bursting. Modelling and experimental data indicate that scaling relies on the coordination of RNAPII transcription initiation rates with cell size and that RNAPII is a limiting factor. We show using real-time quantitative imaging that size increase is accompanied by a rapid concentration independent recruitment of RNAPII onto chromatin. Finally, we find that in multinucleated cells, scaling is set at the level of single nuclei and not the entire cell, making the nucleus the transcriptional scaling unit. Integrating our observations in a mechanistic model of RNAPII mediated transcription, we propose that scaling of gene expression with cell size is the consequence of competition between genes for limiting RNAPII.

Abstract Genomes produce widespread long non-coding RNAs (lncRNAs) of largely unknown functions. We characterize aal1 (ageing-associated lncRNA), which is induced in quiescent fission yeast cells. Deletion of aal1 shortens the chronological lifespan of non-dividing cells, while ectopic overexpression prolongs their lifespan, indicating that aal1 acts in trans. Overexpression of aal1 represses ribosomal-protein gene expression and inhibits cell growth, and aal1 genetically interacts with coding genes functioning in protein translation. The aal1 lncRNA localizes to the cytoplasm and associates with ribosomes. Notably, aal1 overexpression decreases the cellular ribosome content and inhibits protein translation. The aal1 lncRNA binds to the rpl1901 mRNA, encoding a ribosomal protein. The rpl1901 levels are reduced ~2-fold by aal1, which is sufficient to extend lifespan. Remarkably, the expression of the aal1 lncRNA in Drosophila boosts fly lifespan. We propose that aal1 reduces the ribosome content by decreasing Rpl1901 levels, thus attenuating the translational capacity and promoting longevity. Although aal1 is not conserved, its effect in flies suggests that animals feature related mechanisms that modulate ageing, based on the conserved translational machinery.