Summary A key component of insect immunity is melanin encapsulation of microbes. Melanization is also a part of an immune process known as nodulation, which occurs when insect hemocytes surround microbes and produce melanin. Insect nodules are analogous to mammalian immune granulomas. Melanin is believed to kill microbes through the production of toxic intermediates and oxidative damage. However, it is unclear to what extent immune melanin is directly fungicidal during infections of insect hosts. We reported previously that C. neoformans cells are encapsulated with host-derived melanin within hemocyte nodules. Here we report an association between melanin-based immune responses by Galleria mellonella wax moth larvae and fungal cell death of C. neoformans during infection. To monitor melanization in situ , we applied a tissue-clearing technique to G. mellonella larvae, revealing that nodulation occurs throughout the organism. Further, we developed a protocol for time-lapse microscopy of extracted hemolymph following exposure to fungal cells, which allowed us to visualize and quantify the kinetics of the melanin-based immune response. Using this technique, we found evidence that cryptococcal melanins and laccase enhance immune melanization in hemolymph. We used these techniques to also study the fungal pathogen Candida albicans infections of G. mellonella . We find that the yeast form of C. albicans was the primary targets of host melanization, while filamentous structures were melanin-evasive. Approximately 23% of melanin-encapsulated C. albicans yeast survive and break through the encapsulation. Overall, our results provide direct evidence that the melanization reaction functions as a direct antifungal mechanism in insect hosts.

Abstract Melanins are structurally complex pigments produced by organisms in all domains of life. In insects, melanins are essential for survival and have key roles in cuticle sclerotization, wound healing and innate immunity. In this study, we used a diverse set of molecular, biochemical, and imaging approaches to characterize mosquito melanin involved in innate immune defense (melanotic capsules). We observed that melanotic capsules enclosing Plasmodium berghei ookinetes were composed of an acid-resistant and highly hydrophobic material with granular appearance, which are characteristic properties of melanins. Spectroscopical analyses reveal chemical signatures of eumelanins and pheomelanin. Furthermore, we identified a set of 14 acid-resistant mosquito proteins embedded within the melanin matrix possibly related to an anti- Plasmodium response. Among these, Ag MESH, a mucin-related protein highly conserved among insects that is associated with the midgut brush border microvilli proteome of Anopheles gambiae and A. albimanus. AgMESH gene silencing in mosquitos was associated with reduced Plasmodium parasite infection, compromised integrity of the peritrophic matrix, and inability to synthesize a dityrosine network. Our results provide a new approach to study aspects of insect melanogenesis that revealed proteins associated with melanotic capsule, one of which was strongly implicated in the stabilization of the peritrophic matrix and pathogenesis of Plasmodium spp. mosquito infection. Given the conservation of Ag MESH among disease-transmitting insect vector species, future analysis of this protein could provide fertile ground for the identification of strategies that block transmission of vector borne diseases to humans. Significance Statement Malaria is a parasitic disease transmitted by mosquito bites. Here, we adapt methodologies to study fungal melanogenesis to explore the melanin-based immune response of Anopheles gambiae against malaria parasites. We reveal that melanotic capsules against Plasmodium are composed of pheomelanin and eumelanin. We demonstrate that melanin-encapsulated Plasmodium is associated to acid-resistant mosquito gut proteins and identify several putative factors of the melanin-mediated immunity. Disruption of Ag MESH, a surface-associated protein conserved among other mosquito vectors, demonstrates its ability to impaired formation of the dityrosine network and peritrophic matrix compromising parasite development within the mosquito gut. Our study provides a new approach to investigate the melanin-based defense mechanism in insects and identified a potential host molecule for developing novel universal vector-control schemes.

Abstract A pet cockatoo was the suspected source of Cryptococcus neoformans recovered from the cerebral spinal fluid (CSF) of an immunocompromised patient with cryptococcosis based on the molecular analyses available in 2000. Here we report whole genome sequence analysis of the clinical and cockatoo strains. Both are closely related MATα strains belonging to the VNII lineage, confirming that the human infection likely originated from pet bird exposure. The two strains differ by 61 single nucleotide polymorphisms, including 8 nonsynonymous changes involving 7 genes. To ascertain whether changes in these genes are selected during mammalian infection, we passaged the cockatoo strain in mice. Remarkably, isolates obtained from mouse tissue possess a frame-shift mutation in one of the seven genes altered in the human sample, a gene predicted to encode a SWI-SNF chromatin-remodeling complex protein. Both cockatoo and patient strains as well as mouse passaged isolates obtained from brain tissue had a premature stop codon in a homolog of ZFC3, a predicted single-zinc finger containing protein, which is associated with larger capsules when deleted and appears to have reverted to a full-length protein in the mouse passaged isolates obtained from lung tissue. The patient strain and mouse passaged isolates show variability in the expression of virulence factors, with differences in capsule size, melanization, and rates on non-lytic expulsion from macrophages observed. Our results establish that environmental strains undergo genomic and phenotypic changes during mammalian passage, suggesting that animal virulence can be a mechanism for genetic change and that the genomes of clinical isolates may provide a readout of mutations acquired during infection.

ABSTRACT Melanin, a black-brown pigment found throughout all kingdoms of life, has diverse biological functions including: UV protection, thermoregulation, oxidant scavenging, arthropod immunity, and microbial virulence. Given melanin’s broad roles in the biosphere, particularly in insect immune defenses, it is important to understand how exposure to ubiquitous environmental contaminants affects melanization. Glyphosate – the most widely used herbicide globally – inhibits melanin production, which could have wide-ranging implications in the health of many organisms, including insects. Here, we demonstrate that glyphosate has deleterious effects on insect health in two evolutionary distant species, Galleria mellonella (Lepidoptera: Pyralidae) and Anopheles gambiae (Diptera: Culicidae), suggesting a broad effect in insects. Glyphosate reduced survival of G. mellonella caterpillars following infection with the fungus Cryptococcus neoformans and decreased the size of melanized nodules formed in hemolymph, which normally help eliminate infection. Glyphosate also increased the burden of the malaria- causing parasite Plasmodium falciparum in A. gambiae mosquitoes, altered uninfected mosquito survival, and perturbed the microbial composition of adult mosquito midguts. Our results show that glyphosate’s mechanism of melanin inhibition involves antioxidant synergy and disruption of the reaction oxidation-reduction balance Overall, these findings suggest that glyphosate’s environmental accumulation could render insects more susceptible to microbial pathogens due to melanin inhibition, immune impairment, and perturbations in microbiota composition, potentially contributing to declines in insect populations.

Abstract Pathogenic Potential (PP) is a mathematical description of an individual microbe, virus, or parasite’s ability to cause disease in a host, given the variables of inoculum, symptomology, mortality, and in some instances, median survival time of the host. We investigated the relationship between pathogenic potential (PP) and infective inoculum (I) using two pathogenic fungi in the wax moth Galleria mellonella with mortality as the relevant outcome. Our analysis for C. neoformans infection revealed negative exponential relationship between PP and I. Plotting the log(I) versus the Fraction symptomatic (Fs) over median host survival time (T) revealed a linear relationship, with a slope that varied between the different fungi studied and a y-intercept corresponding to the inoculum that produced no symptoms. The I vs Fs/T slope provided a measure of the pathogenicity of each microbial species, which we call the pathogenicity constant or k Path . The k Path provides a new parameter to quantitatively compare the relative virulence and pathogenicity of microbial species for a given host. In addition, we investigated the PP and Fs/T from values found in preexisting literature. Overall, the relationship between Fs/T and PP versus inoculum varied among microbial species and extrapolation to zero symptoms allowed the calculation of the lowest pathogenic inoculum (LPI) of a microbe. Microbes tended to fall into two groups: those with positive linear relationships between PP and Fs/T vs I, and those that had a negative exponential PP vs I relationship with a positive logarithmic Fs/T vs I relationship. The microbes with linear relationships tended to be bacteria, whereas the exponential-based relationships tended to be fungi or higher order eukaryotes. Differences in the type and sign of the PP vs I and Fs/T vs I relationships for pathogenic microbes suggest fundamental differences in host-microbe interactions leading to disease. Author Summary The ability of a microbe, virus, or parasite to cause disease is dependent on multiple factors, virulence factors. host immune defenses, the infective inoculum, and the type of immune response. For many microbes their capacity for causing disease is highly dependent on the inoculum. The mathematical formula for Pathogenic Potential (PP) is a way to compare the ability of an organism to have a pathogenic effect, as measured by Fraction Symptomatic (Fs), mortality (M), and inoculum (I), and can include the median survival time of the host (T). Increasing inoculum of the fungus Cryptococcus neoformans for a moth host resulted in exponentially smaller pathogenic potential, and the Fs/T versus inoculum plot showed a logarithmic relationship. Together, these relationships show diminishing returns with increasing cryptococcal inoculum, in which each individual fungus plays a smaller role in pathogenicity. Literature data shows that other microbes, mostly bacteria, had linear Fs/T versus inoculum relationships, which indicate that each bacterium contributed an equal amount to pathogenicity. These differences in relationships can point to differences in host-microbe interactions and suggest new ways in which the organism causes disease.

Candida auris is a recently emerged global fungal pathogen, which causes life-threatening infections, often in healthcare settings. C. auris infections are worrisome because the fungus is often resistant to multiple antifungal drug classes. Furthermore, C. auris forms durable and difficult to remove biofilms. Due to the relatively recent, resilient, and resistant nature of C. auris , we investigated whether it produces the common fungal virulence factor melanin. Melanin is a black-brown pigment typically produced following enzymatic oxidation of aromatic precursors, which promotes fungal virulence through oxidative stress resistance, mammalian immune response evasion, and antifungal peptide and pharmaceutical inactivation. We found that certain strains of C. auris oxidized L-DOPA and catecholamines into melanin. Melanization occurred extracellularly in a process mediated by alkalinization of the extracellular environment, resulting in granule-like structures that adhere to the fungus external surface. C. auris had relatively high cell surface hydrophobicity, but there was no correlation between hydrophobicity and melanization. Melanin protected the fungus from oxidative damage, but we did not observe a protective role during infection of macrophages or Galleria mellonella larvae. In summary, C. auris alkalinizes the extracellular medium, which promotes the non-enzymatic oxidation of L-DOPA to melanin that attaches to its surface, thus illustrating a novel mechanism for fungal melanization.

Abstract Cryptococcus neoformans is a facultative intracellular pathogen that can replicate and disseminate in mammalian macrophages. In this study, we analyzed fungal proteins identified in murine macrophage-like cells after infection with C. neoformans . To accomplish this, we developed a protocol to identify proteins released from cryptococcal cells inside macrophage-like cells; we identified 127 proteins of fungal origin in infected macrophage-like cells. Among the proteins identified was urease, a known virulence factor, and others such as transaldolase and phospholipase D, which have catalytic activities that could contribute to virulence. This method provides a straightforward methodology to study host-pathogen interactions. We chose to study further Yor1, a relatively uncharacterized protein belonging to the large family of ATP binding cassette transporter (ABC transporters). These transporters belong to a large and ancient protein family found in all extant phyla. While ABC transporters have an enormous diversity of functions across varied species, in pathogenic fungi they are better studied as drug efflux pumps. Analysis of C. neoformans yor1 Δ strains revealed defects in non-lytic exocytosis and capsule size, when compared to wild-type strains. We detected no difference in growth rates, cell body size and vesicle secretion. Our results indicate that C. neoformans releases a large suite of proteins during macrophage infection, some of which can modulate fungal virulence and are likely to affect the fungal-macrophage interaction.

Embryonic axis patterning in Drosophila melanogaster is partly achieved by mRNAs that are maternally localized to the oocyte; the spatio-temporal regulation of these transcripts' stability and translation is a characteristic feature of oogenesis. While protein regulatory factors are necessary for the translational regulation of some maternal transcripts (e.g. oskar and gurken), small RNA pathways are also known to regulate mRNA stability and translation in eukaryotes. MicroRNAs (miRNAs) are small RNA regulators of gene expression, widely conserved throughout eukaryotic genomes and essential for animal development. The main D. melanogaster anterior determinant, bicoid, is maternally transcribed, but it is not translated until early embryogenesis. We investigated the possibility that its translational repression during oogenesis is mediated by miRNA activity. We found that the bicoid 3'UTR contains a highly conserved, predicted binding site for miR-305. Our studies reveal that miR-305 regulates the translation of a reporter gene containing the bicoid 3'UTR in cell culture, and that miR-305 only partially contributes to bicoid mRNA translational repression during oogenesis. We also found that Processing bodies (P-bodies) in the egg chamber may play a role in stabilizing bicoid and other maternal transcripts. Here, we offer insights into the possible role of P-bodies and the miRNA pathway in the translational repression of bicoid mRNA during oogenesis.

Pathogens must overcome the hostile conditions of their hosts to survive, proliferate and cause disease. The fungal pathogen Cryptococcus neoformans is particularly adept at mitigating challenges in the host environment and has developed an arsenal of defense mechanisms to evade oxidative and nitrosative agents released by phagocytic cells during infection. Among these mechanisms, melanin production is crucially linked to both fungal virulence and defense against harmful free radicals that facilitate host innate immunity and clearance of invading pathogens. Here, we employed comparative global metabolomics to demonstrate that metabolism of the antioxidant glutathione (GSH) is inextricably linked to redox-active processes that facilitate melanin production, and that genetic perturbations in GSH biosynthesis affect fungal growth and virulence in a murine model of cryptococcosis. Furthermore, we show that disruption of GSH biosynthesis leads to overaccumulation of reducing and acidic compounds in the extracellular environment of mutant cells. These changes not only impacted melanin formation but also influenced titan cell and urease production as well as survival in macrophages. Overall, these findings highlight the importance of redox homeostasis and metabolic compensation in pathogen adaptation to the host environment and suggest new avenues for antifungal drug development.

One of the major barriers of fungal infections of mammals is the inability to grow and/or survive at mammalian body temperature, typically around 37 degrees C. This has provided mammals an advantage over fungi. However, environmental fungi may soon adapt to persist at higher temperatures, consistent with mammalian body temperature, due to thermal selection pressures imposed by climate change, global warming, and increased frequency of extreme heat events. Consequently, there is a need for more updated information about the thermal tolerance range of fungi near humans, such as in urban areas. The heat island effect suggests that cities are up to 8 degrees C warmer than their suburban counterparts because of increased heat production, asphalt coatings and reduced greenspace among other factors, and it is more common in lower income and marginalized urban communities. Thus, urban centers are at increased risk for the emergence of heat tolerant fungi. In this study, we developed a methodology to collect and archive fungal isolates from sidewalk and soil samples in both warmer and cooler neighborhoods in Baltimore, Maryland. We demonstrate a novel methodology for fungal sample collection from sidewalks, employing the use of standardized and commercially available taffy. Analysis of fungal isolates collected from warmer neighborhoods revealed greater thermal tolerance and lower pigmentation, suggesting local adaptation to heat. Lower pigmentation in hotter areas is consistent with the notion that fungi use pigmentation to help regulate their temperature. Further, we identified the robust presence of the polyextremotolerant fungus Aureobasidium pullalans from the warmest neighborhood in Baltimore, further showing that the extreme conditions of cities can drive proliferation of extremotolerant fungi. This study develops new techniques for environmental fungal collection and provides insight on the fungal census in an urban setting that can inform future work to study how urban environments may drive stress/thermotolerance in fungi, which could alter fungal interactions with humans and impact human health.