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Rouleau FD, Dubé AK, Gagnon-Arsenault I, Dibyachintan S, Pageau A, Després PC, Lagüe P, Landry CR. Deep mutational scanning of Pneumocystis jirovecii dihydrofolate reductase reveals allosteric mechanism of resistance to an antifolate. PLoS Genet 2024; 20:e1011252. [PMID: 38683847 DOI: 10.1371/journal.pgen.1011252] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/17/2023] [Accepted: 04/08/2024] [Indexed: 05/02/2024] Open
Abstract
Pneumocystis jirovecii is a fungal pathogen that causes pneumocystis pneumonia, a disease that mainly affects immunocompromised individuals. This fungus has historically been hard to study because of our inability to grow it in vitro. One of the main drug targets in P. jirovecii is its dihydrofolate reductase (PjDHFR). Here, by using functional complementation of the baker's yeast ortholog, we show that PjDHFR can be inhibited by the antifolate methotrexate in a dose-dependent manner. Using deep mutational scanning of PjDHFR, we identify mutations conferring resistance to methotrexate. Thirty-one sites spanning the protein have at least one mutation that leads to resistance, for a total of 355 high-confidence resistance mutations. Most resistance-inducing mutations are found inside the active site, and many are structurally equivalent to mutations known to lead to resistance to different antifolates in other organisms. Some sites show specific resistance mutations, where only a single substitution confers resistance, whereas others are more permissive, as several substitutions at these sites confer resistance. Surprisingly, one of the permissive sites (F199) is without direct contact to either ligand or cofactor, suggesting that it acts through an allosteric mechanism. Modeling changes in binding energy between F199 mutants and drug shows that most mutations destabilize interactions between the protein and the drug. This evidence points towards a more important role of this position in resistance than previously estimated and highlights potential unknown allosteric mechanisms of resistance to antifolate in DHFRs. Our results offer unprecedented resources for the interpretation of mutation effects in the main drug target of an uncultivable fungal pathogen.
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Affiliation(s)
- Francois D Rouleau
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Department of Biochemistry, Microbiology and Bioinformatics, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications (PROTEO), Université du Québec à Montréal, Montréal, Québec, Canada
- Université Laval Big Data Research Center (BDRC_UL), Québec, Québec, Canada
| | - Alexandre K Dubé
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Department of Biochemistry, Microbiology and Bioinformatics, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications (PROTEO), Université du Québec à Montréal, Montréal, Québec, Canada
- Department of Biology, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
| | - Isabelle Gagnon-Arsenault
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Department of Biochemistry, Microbiology and Bioinformatics, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications (PROTEO), Université du Québec à Montréal, Montréal, Québec, Canada
- Department of Biology, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
| | - Soham Dibyachintan
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Department of Biochemistry, Microbiology and Bioinformatics, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications (PROTEO), Université du Québec à Montréal, Montréal, Québec, Canada
- Université Laval Big Data Research Center (BDRC_UL), Québec, Québec, Canada
| | - Alicia Pageau
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Department of Biochemistry, Microbiology and Bioinformatics, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications (PROTEO), Université du Québec à Montréal, Montréal, Québec, Canada
- Université Laval Big Data Research Center (BDRC_UL), Québec, Québec, Canada
| | - Philippe C Després
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Department of Biochemistry, Microbiology and Bioinformatics, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications (PROTEO), Université du Québec à Montréal, Montréal, Québec, Canada
- Université Laval Big Data Research Center (BDRC_UL), Québec, Québec, Canada
| | - Patrick Lagüe
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Department of Biochemistry, Microbiology and Bioinformatics, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications (PROTEO), Université du Québec à Montréal, Montréal, Québec, Canada
- Université Laval Big Data Research Center (BDRC_UL), Québec, Québec, Canada
| | - Christian R Landry
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes (IBIS), Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Department of Biochemistry, Microbiology and Bioinformatics, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
- Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications (PROTEO), Université du Québec à Montréal, Montréal, Québec, Canada
- Université Laval Big Data Research Center (BDRC_UL), Québec, Québec, Canada
- Department of Biology, Science and Engineering Faculty, Université Laval, Québec, Québec, Canada
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Després PC, Dubé AK, Grenier J, Picard MÈ, Shi R, Landry CR. Compensatory mutations potentiate constructive neutral evolution by gene duplication. bioRxiv 2024:2024.02.12.579783. [PMID: 38405844 PMCID: PMC10888846 DOI: 10.1101/2024.02.12.579783] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 02/27/2024]
Abstract
Protein functions generally depend on their assembly into complexes. During evolution, some complexes have transitioned from homomers encoded by a single gene to heteromers encoded by duplicate genes. This transition could occur without adaptive evolution through intermolecular compensatory mutations. Here, we experimentally duplicate and evolve an homodimeric enzyme to examine if and how this could happen. We identify hundreds of deleterious mutations that inactivate individual homodimers but produce functional enzymes when co-expressed as duplicated proteins that heterodimerize. The structure of one such heteromer reveals how both losses of function are buffered through the introduction of asymmetry in the complex that allows them to subfunctionalize. Constructive neutral evolution can thus occur by gene duplication followed by only one deleterious mutation per duplicate.
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Affiliation(s)
- Philippe C Després
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, G1V 0A6, Canada
| | - Alexandre K Dubé
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
| | - Jordan Grenier
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
| | - Marie-Ève Picard
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
| | - Rong Shi
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
| | - Christian R Landry
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, G1V 0A6, Canada
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Cisneros AF, Gagnon-Arsenault I, Dubé AK, Després PC, Kumar P, Lafontaine K, Pelletier JN, Landry CR. Epistasis between promoter activity and coding mutations shapes gene evolvability. Sci Adv 2023; 9:eadd9109. [PMID: 36735790 PMCID: PMC9897669 DOI: 10.1126/sciadv.add9109] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/12/2022] [Accepted: 12/22/2022] [Indexed: 06/01/2023]
Abstract
The evolution of protein-coding genes proceeds as mutations act on two main dimensions: regulation of transcription level and the coding sequence. The extent and impact of the connection between these two dimensions are largely unknown because they have generally been studied independently. By measuring the fitness effects of all possible mutations on a protein complex at various levels of promoter activity, we show that promoter activity at the optimal level for the wild-type protein masks the effects of both deleterious and beneficial coding mutations. Mutations that are deleterious at low activity but masked at optimal activity are slightly destabilizing for individual subunits and binding interfaces. Coding mutations that increase protein abundance are beneficial at low expression but could potentially incur a cost at high promoter activity. We thereby demonstrate that promoter activity in interaction with protein properties can dictate which coding mutations are beneficial, neutral, or deleterious.
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Affiliation(s)
- Angel F. Cisneros
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
| | - Isabelle Gagnon-Arsenault
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biologie, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
| | - Alexandre K. Dubé
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biologie, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
| | - Philippe C. Després
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
| | - Pradum Kumar
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Department of Biosciences and Bioengineering, Indian Institute of Technology Roorkee, Roorkee, 247667, India
| | - Kiana Lafontaine
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biochimie et de médecine moléculaire, Faculté de médecine, Université de Montréal, H3C 3J7, Montréal, Canada
| | - Joelle N. Pelletier
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biochimie et de médecine moléculaire, Faculté de médecine, Université de Montréal, H3C 3J7, Montréal, Canada
- Département de chimie, Faculté des arts et des sciences, Université de Montréal, H3C 3J7, Montréal, Canada
| | - Christian R. Landry
- Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Institut de biologie intégrative et des systèmes, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l’ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Centre de recherche sur les données massives, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
- Département de biologie, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, G1V 0A6, Québec, Canada
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Després PC, Cisneros AF, Alexander EMM, Sonigara R, Gagné-Thivierge C, Dubé AK, Landry CR. Asymmetrical dose responses shape the evolutionary trade-off between antifungal resistance and nutrient use. Nat Ecol Evol 2022; 6:1501-1515. [PMID: 36050399 DOI: 10.1038/s41559-022-01846-4] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/09/2021] [Accepted: 07/07/2022] [Indexed: 12/22/2022]
Abstract
Antimicrobial resistance is an emerging threat for public health. The success of resistance mutations depends on the trade-off between the benefits and costs they incur. This trade-off is largely unknown and uncharacterized for antifungals. Here, we systematically measure the effect of all amino acid substitutions in the yeast cytosine deaminase Fcy1, the target of the antifungal 5-fluorocytosine (5-FC, flucytosine). We identify over 900 missense mutations granting resistance to 5-FC, a large fraction of which appear to act through destabilization of the protein. The relationship between 5-FC resistance and growth sustained by cytosine deamination is characterized by a sharp trade-off, such that small gains in resistance universally lead to large losses in canonical enzyme function. We show that this steep relationship can be explained by differences in the dose-response functions of 5-FC and cytosine. Finally, we observe the same trade-off shape for the orthologue of FCY1 in Cryptoccocus neoformans, a human pathogen. Our results provide a powerful resource and platform for interpreting drug target variants in fungal pathogens as well as unprecedented insights into resistance-function trade-offs.
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Affiliation(s)
- Philippe C Després
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada.
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, Canada.
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, Canada.
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, Québec, Canada.
| | - Angel F Cisneros
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, Québec, Canada
| | - Emilie M M Alexander
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, Québec, Canada
| | - Ria Sonigara
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, Québec, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada
| | - Cynthia Gagné-Thivierge
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, Québec, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada
| | - Alexandre K Dubé
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, Canada
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, Canada
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, Québec, Canada
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada
| | - Christian R Landry
- Département de Biochimie, de Microbiologie et de Bio-informatique, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada.
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, Canada.
- PROTEO, Le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, Canada.
- Centre de Recherche sur les Données Massives, Université Laval, Québec, Canada.
- Département de Biologie, Faculté des Sciences et de Génie, Université Laval, Québec, Canada.
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Dubé AK, Dandage R, Dibyachintan S, Dionne U, Després PC, Landry CR. Deep Mutational Scanning of Protein-Protein Interactions Between Partners Expressed from Their Endogenous Loci In Vivo. Methods Mol Biol 2022; 2477:237-259. [PMID: 35524121 DOI: 10.1007/978-1-0716-2257-5_14] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/14/2023]
Abstract
Deep mutational scanning (DMS) generates mutants of a protein of interest in a comprehensive manner. CRISPR-Cas9 technology enables large-scale genome editing with high efficiency. Using both DMS and CRISPR-Cas9 therefore allows us to investigate the effects of thousands of mutations inserted directly in the genome. Combined with protein-fragment complementation assay (PCA), which enables the quantitative measurement of protein-protein interactions (PPIs) in vivo, these methods allow for the systematic assessment of the effects of mutations on PPIs in living cells. Here, we describe a method leveraging DMS, CRISPR-Cas9, and PCA to study the effect of point mutations on PPIs mediated by protein domains in yeast.
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Affiliation(s)
- Alexandre K Dubé
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada.
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada.
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada.
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, Canada.
- Département de Biologie, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada.
| | - Rohan Dandage
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Département de Biologie, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
| | - Soham Dibyachintan
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada
- Département de Biologie, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Department of Chemical Engineering, Indian Institute of Technology Bombay (IIT), Powai, Mumbai, Maharashtra, India
| | - Ugo Dionne
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Centre de recherche du Centre Hospitalier Universitaire (CHU) de Québec, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Centre de recherche sur le cancer de l'Université Laval, Québec, QC, Canada
| | - Philippe C Després
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, Canada
| | - Christian R Landry
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada.
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada.
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada.
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, Canada.
- Département de Biologie, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada.
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Després PC, Dubé AK, Yachie N, Landry CR. High-Throughput Gene Mutagenesis Screening Using Base Editing. Methods Mol Biol 2022; 2477:331-348. [PMID: 35524126 DOI: 10.1007/978-1-0716-2257-5_19] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/14/2023]
Abstract
Base editing is a CRISPR-Cas9 genome engineering tool that allows programmable mutagenesis without the creation of double-stranded breaks. Here, we describe the design and execution of large-scale base editing screens using the Target-AID base editor in yeast. Using this approach, thousands of sites can be mutated simultaneously. The effects of these mutations on fitness can be measured using a pooled growth competition assay followed by DNA sequencing of gRNAs as barcodes.
Collapse
Affiliation(s)
- Philippe C Després
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada.
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada.
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada.
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, Canada.
| | - Alexandre K Dubé
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Département de Biologie, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
| | - Nozomu Yachie
- School of Biomedical Engineering, Faculty of Applied Science and Faculty of Medicine, University of British Columbia, Vancouver, BC, Canada
- Research Center for Advanced Science and Technology, Synthetic Biology Division, University of Tokyo, Tokyo, Japan
- Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, University of Tokyo, Tokyo, Japan
- Institute for Advanced Biosciences, Keio University, Tsuruoka, Japan
| | - Christian R Landry
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, Canada
- Département de Biologie, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, Canada
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Abstract
Base editors derived from CRISPR-Cas9 systems and DNA editing enzymes offer an unprecedented opportunity for the precise modification of genes, but have yet to be used at a genome-scale throughput. Here, we test the ability of the Target-AID base editor to systematically modify genes genome-wide by targeting yeast essential genes. We mutate around 17,000 individual sites in parallel across more than 1500 genes. We identify over 700 sites at which mutations have a significant impact on fitness. Using previously determined and preferred Target-AID mutational outcomes, we find that gRNAs with significant effects on fitness are enriched in variants predicted to be deleterious based on residue conservation and predicted protein destabilization. We identify key features influencing effective gRNAs in the context of base editing. Our results show that base editing is a powerful tool to identify key amino acid residues at the scale of proteomes.
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Affiliation(s)
- Philippe C Després
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
| | - Alexandre K Dubé
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
- Département de Biologie, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
| | - Motoaki Seki
- Research Center for Advanced Science and Technology, Synthetic Biology Division, University of Tokyo, Tokyo, 4-6-1 Komaba, Meguro-ku, 153-8904, Japan
| | - Nozomu Yachie
- Research Center for Advanced Science and Technology, Synthetic Biology Division, University of Tokyo, Tokyo, 4-6-1 Komaba, Meguro-ku, 153-8904, Japan.
- Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, the University of Tokyo, Tokyo, Japan.
- Institute for Advanced Biosciences, Keio University, Tsuruoka, Japan.
| | - Christian R Landry
- Département de Biochimie, Microbiologie et Bio-informatique, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada.
- PROTEO, le regroupement québécois de recherche sur la fonction, l'ingénierie et les applications des protéines, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada.
- Centre de Recherche en Données Massives (CRDM), Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada.
- Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada.
- Département de Biologie, Faculté de Sciences et Génie, Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada.
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Chrétien AÈ, Gagnon-Arsenault I, Dubé AK, Barbeau X, Després PC, Lamothe C, Dion-Côté AM, Lagüe P, Landry CR. Extended linkers improve the detection of protein-protein interactions (PPIs) by dihydrofolate reductase protein-fragment complementation assay (DHFR PCA) in living cells. Mol Cell Proteomics 2018; 17:549. [PMID: 29496912 DOI: 10.1074/mcp.a117.000385] [Citation(s) in RCA: 8] [Impact Index Per Article: 1.3] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/06/2022] Open
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Chrétien AÈ, Gagnon-Arsenault I, Dubé AK, Barbeau X, Després PC, Lamothe C, Dion-Côté AM, Lagüe P, Landry CR. Extended Linkers Improve the Detection of Protein-protein Interactions (PPIs) by Dihydrofolate Reductase Protein-fragment Complementation Assay (DHFR PCA) in Living Cells. Mol Cell Proteomics 2017; 17:373-383. [PMID: 29203496 DOI: 10.1074/mcp.tir117.000385] [Citation(s) in RCA: 7] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/06/2017] [Indexed: 01/08/2023] Open
Abstract
Understanding the function of cellular systems requires describing how proteins assemble with each other into transient and stable complexes and to determine their spatial relationships. Among the tools available to perform these analyses on a large scale is Protein-fragment Complementation Assay based on the dihydrofolate reductase (DHFR PCA). Here we test how longer linkers between the fusion proteins and the reporter fragments affect the performance of this assay. We investigate the architecture of the RNA polymerases, the proteasome and the conserved oligomeric Golgi (COG) complexes in living cells and performed large-scale screens with these extended linkers. We show that longer linkers significantly improve the detection of protein-protein interactions and allow to measure interactions further in space than the standard ones. We identify new interactions, for instance between the retromer complex and proteins related to autophagy and endocytosis. Longer linkers thus contribute an enhanced additional tool to the existing toolsets for the detection and measurements of protein-protein interactions and protein proximity in living cells.
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Affiliation(s)
- Andrée-Ève Chrétien
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes.,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,‖Département de biologie
| | - Isabelle Gagnon-Arsenault
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes.,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,‖Département de biologie
| | - Alexandre K Dubé
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes.,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,‖Département de biologie
| | - Xavier Barbeau
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes.,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,**Département de biochimie, microbiologie et bioinformatique. Université Laval, Québec, Québec, G1V 0A6, Canada
| | - Philippe C Després
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes.,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,‖Département de biologie.,**Département de biochimie, microbiologie et bioinformatique. Université Laval, Québec, Québec, G1V 0A6, Canada
| | - Claudine Lamothe
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes.,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,‖Département de biologie.,**Département de biochimie, microbiologie et bioinformatique. Université Laval, Québec, Québec, G1V 0A6, Canada
| | - Anne-Marie Dion-Côté
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes.,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,‖Département de biologie
| | - Patrick Lagüe
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes.,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,**Département de biochimie, microbiologie et bioinformatique. Université Laval, Québec, Québec, G1V 0A6, Canada
| | - Christian R Landry
- From the ‡Institut de Biologie Intégrative et des Systèmes; .,§The Quebec Network for Research on Protein Function, Engineering, and Applications.,¶Centre de Recherche en Données Massives de l'Université Laval.,‖Département de biologie.,**Département de biochimie, microbiologie et bioinformatique. Université Laval, Québec, Québec, G1V 0A6, Canada
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