Abstract Cryptococcus neoformans is an encapsulated yeast that causes disease mainly in immunosuppressed hosts. It is considered a facultative intracellular pathogen because of its capacity to survive and replicate inside phagocytes, especially macrophages. This capacity is heavily dependent on various virulence factors, particularly the glucuronoxylomannan (GXM) component of the polysaccharide capsule, that render the non- or poorly-activated macrophage ineffective against phagocytosed yeast. Strategies utilized by macrophages to prevent this scenario include pyroptosis (a rapid highly inflammatory cell death) and vomocytosis (the expulsion of the pathogen from the intracellular environment without lysis). Inflammasome activation in phagocytes is usually protective against fungal infections, including cryptococcosis. Nevertheless, recognition of C. neoformans by inflammasome receptors requires specific changes in morphology or the opsonization of the yeast, impairing a proper inflammasome function. In this context, we analyzed the impact of molecules secreted by C. neoformans B3501 strain and its acapsular mutant Δcap67 in an inflammasome activation in vitro model. Our results showed that conditioned media derived from B3501 was capable of inhibiting inflammasome dependent events (i. e. IL-1β secretion and LDH release via pyroptosis) more strongly than conditioned media from Δcap67 , regardless of GXM presence. We also demonstrated that macrophages treated with conditioned media were less responsive against infection with the virulent strain H99, exhibiting lower rates of phagocytosis, increased fungal burdens and enhanced vomocytosis. Moreover, we showed that the aromatic metabolite DL-Indole-3-lactic acid (ILA) was present in B3501’s conditioned media and that this fungal metabolite is involved in the regulation of inflammasome activation by C. neoformans . Overall, the results presented show that conditioned media from a wild-type strain can inhibit an important recognition pathway and subsequent fungicidal functions of macrophages, contributing to fungal survival in vitro and suggesting that this serves as an important role for secreted molecules during cryptococcal infections. Author’s Summary Cryptococcus neoformans is the agent of cryptococcal meningitis, a disease that can be life-threatening in immunocompromised hosts such as those infected with HIV. The infection thrives in hosts that poorly activate their immune system, mainly because of the yeast’s ability to survive inside macrophages and migrate towards the central nervous system. Emerging data indicate that cryptococci modulate the host immune response, but the underlying mechanisms remain largely uncharacterized. Here we show that secreted molecules from a wild-type strain of C. neoformans impair inflammatory responses driven by inflammasome activation, which in turn impact the macrophage antifungal activity. We further show that this inhibition does not involve GXM, the main constituent of the fungal capsule, but rather is partially dependent on DL-Indole-3-lactic acid (ILA), a metabolite not previously implicated in fungal virulence.

Cryptococcus neoformans is a fungus classified by the World Health Organization as a critically important pathogen, which poses a significant threat to immunocompromised individuals. In this study, we present the chemical synthesis and evaluation of two semisynthetic vaccine candidates targeting the capsular polysaccharide glucuronoxylomannan (GXM) of C. neoformans. These semisynthetic glycoconjugate vaccines contain an identical synthetic decasaccharide (M2 motif) antigen. This antigen is present in serotype A strains, which constitute 95% of the clinical cryptococcosis cases. This synthetic oligosaccharide was conjugated to two proteins (CRM197 and Anthrax 63 kDa PA) and tested for immunogenicity in mice. The conjugates elicited a specific antibody response that bound to the M2 motif but also exhibited additional cross-reactivity toward M1 and M4 GXM motifs. Both glycoconjugates produced antibodies that bound to GXM in ELISA assays and to live fungal cells. Mice immunized with the CRM197 glycoconjugate produced weakly opsonic antibodies and displayed trends toward increased median survival relative to mice given a mock PBS injection (18 vs 15 days, p = 0.06). These findings indicate promise, achieving a successful vaccine demands further optimization of the glycoconjugate. This antigen could serve as a component in a multivalent GXM motif vaccine.

The pathogenic fungus Cryptococcus neoformans exhibits morphological changes in cell size during lung infection, producing both typical size 5 to 7 microns cells and large titan cells (> 10 microns and up to 100 microns). We found and optimized in vitro conditions that produce titan cells in order to identify the ancestry of titan cells, the environmental determinants, and the key gene regulators of titan cell formation. Titan cells generated in vitro harbor the main characteristics of titan cells produced in vivo including their large cell size (>10 microns), polyploidy with a single nucleus, large vacuole, dense capsule, and thick cell wall. Here we show titan cells derived from the enlargement of progenitor cells in the population independent of yeast growth rate. Change in the incubation medium, hypoxia, nutrient starvation and low pH were the main factors that trigger titan cell formation, while quorum sensing factors like the initial inoculum concentration, pantothenic acid, and the quorum sensing peptide Qsp1p also impacted titan cell formation. Inhibition of ergosterol, protein and nucleic acid biosynthesis altered titan cell formation, as did serum, phospholipids and anti-capsular antibodies in our settings. We explored genetic factors important for titan cell formation using three approaches. Using H99-derivative strains with natural genetic differences, we showed that titan cell formation was dependent on LMP1 and SGF29 genes. By screening a gene deletion collection, we also confirmed that GPR4/5-RIM101, and CAC1 genes were required to generate titan cells and that the PKR1, TSP2, USV101 genes negatively regulated titan cell formation. Furthermore, analysis of spontaneous Pkr1 loss-of-function clinical isolates confirmed the important role of the Pkr1 protein as a negative regulator of titan cell formation. Through development of a standardized and robust in vitro assay, our results provide new insights into titan cell biogenesis with the identification of multiple important factors/pathways.

Outer membrane vesicles produced by Gram-negative bacteria have been studied for half a century but the possibility that Gram-positive bacteria secreted extracellular vesicles (EVs) was not pursued due to the assumption that the thick peptidoglycan cell wall would prevent their release to the environment. However, following discovery in fungi, which also have cell walls, EVs have now been described for a variety of Gram-positive bacteria. EVs purified from Gram-positive bacteria are implicated in virulence, toxin release and transference to host cells, eliciting immune responses, and spread of antibiotic resistance. Listeria monocytogenes is a Gram-positive bacterium that is the etiological agent of listeriosis. Here we report that L. monocytogenes produces EVs with diameter ranging from 20-200 nm, containing the pore-forming toxin listeriolysin O (LLO) and phosphatidylinositol-specific phospholipase C (PI-PLC). Using simultaneous metabolite, protein, and lipid extraction (MPLEx) multi-omics we characterized protein, lipid and metabolite composition of bacterial cells and secreted EVs and found that EVs carry the majority of listerial virulence proteins. Cell-free EV preparations were toxic to the murine macrophage cell line J774.16, in a LLO-dependent manner, evidencing EV biological activity. The deletion of plcA increased EV toxicity, suggesting PI-PLC can restrain LLO activity. Using immunogold electron microscopy we detect LLO localization at several organelles within infected human epithelial cells and with high-resolution fluorescence imaging we show that dynamic lipid structures are released from L. monocytogenes that colocalize with LLO during infection. Our findings demonstrate that L. monocytogenes utilize EVs for toxin release and implicate these structures in mammalian cytotoxicity.

The fungus Cryptococcus neoformans causes lethal meningitis in humans with weakened immune systems, and is estimated to account for 10-15% of AIDS associated deaths worldwide. There are major gaps in our understanding of how this environmental fungus invades the mammalian brain and evades the immune system before the onset of overt disease. To shed light on the dynamics of C. neoformans tissue invasion, we mapped early fungal localisation and host cellular interactions in infected brain, lung, and upper airways, using mouse models of systemic and airway infection. To enable this, we developed an in situ imaging pipeline capable of measuring large volumes of tissue whilst preserving anatomical, cellular, and molecular information by combining thick tissue sections, clarification, and confocal imaging. We confirmed abundant cryptococcal cells in mouse upper airway turbinates after nasal inoculation. Most yeasts in turbinates were titan cells, indicating the turbinates microenvironment enables titan cell formation with faster kinetics than other compartments. Importantly, we observed one instance of fungal cells emeshed in lamina propria of upper airways, suggesting penetration of airway mucosa as a possible route of tissue invasion and dissemination to the bloodstream. Consistent with literature, we provide evidence that C. neoformans enters the blood vessels of mouse lungs, suggesting that bloodstream access can occur via lung alveoli. In a model of systemic cryptococcosis, we show that C. neoformans widely traverses the endothelial layer of the blood-brain barrier, followed by engulfment by microglia as early as 24 h post infection. Our work establishes that C. neoformans can breach multiple tissue barriers within the first days of infection, implicates residence within microglia as an outcome after central nervous system invasion, and presents a new method for investigating cryptococcal pathogenesis and invasion mechanisms.

Antibodies exert several of their effector functions by binding to cell surface receptors. For murine IgG3 (mIgG3) the identity of its receptors (and the very existence of a receptor) is still under debate, as not all mIgG3 functions can be explained by interaction with Fcγ-receptor I (FcγRI). This implies the existence of an alternate receptor, whose identity we sought to pinpoint. We found that blockage of the alpha4/beta1 integrin (Itga4/Itgb1) selectively hampered binding of mIgG3 to macrophages and mIgG3-mediated phagocytosis. Manganese, an integrin activator, increased mIgG3 binding to macrophages. Blockage of FcγRI or Itgb1 inhibited binding of different mIgG3 antibodies to variable extents. Our results indicate an integrin component in the mIgG3 receptor. Given the more ancient origin of integrins in comparison with FcγR, this observation could have far ranging implications for our understanding of the evolution of antibody-mediated immunity, as well as in immunity to microorganisms, pathogenesis of autoimmune diseases and antibody engineering.

Annexins are multifunctional proteins that bind to phospholipid membranes in a calcium-dependent manner. Annexins play a myriad of critical and well-characterized roles in mammals, ranging from membrane repair to vesicular secretion. The role of annexins in the kingdoms of bacteria, protozoa and fungi have been largely overlooked. The fact that there is no known homologue of annexins in the model organism may contribute to this gap in knowledge. However, annexins are found in most medically important fungal pathogens, with the notable exception of Candida albicans. In this study we evaluated the function of the one annexin gene in Cryptococcus neoformans, a causative agent of cryptococcosis. This gene CNAG_02415, is annotated in the C. neoformans genome as a target of calcineurin through its transcription factor Crz1, and we propose to update its name to cryptococcal annexin, AnnexinC1. C. neoformans strains deleted for AnnexinC1 revealed no difference in survival after exposure to various chemical stressor relative the wild type, as well as no major alteration in virulence or mating. The only alteration observed in strains deleted for AnnexinC1 was a small increase in the titan cells formation in vitro. The preservation of annexins in many different fungal species suggests an important function, and therefore the lack of a strong phenotype for annexin-deficient C. neoformans is suggestive of either redundant genes that can compensate for the absence of AnnexinC1 function or novel functions not revealed by standard assays of cell function and pathogenicity.

The thermodimorphic pathogenic fungi Paracoccidioides brasiliensis and Paracoccioidioides lutzii are the etiologic causes of paracoccidioidomycosis (PCM), the most prevalent systemic mycosis in Latin America. Galectin-3 (Gal-3), an animal β-galactoside-binding protein, modulates important roles during microbial infections, such as triggering a Th2-polarized immune response in PCM. Herein, we demonstrate that Gal-3 also plays other important roles in P. brasiliensis infection. We verified Gal-3 levels are upregulated in human and mice infections and establish that Gal-3 inhibits P. brasiliensis growth by inhibiting budding. Furthermore, Gal-3 affects disruption and internalization of extracellular vesicles from P. brasiliensis by macrophages. Our results suggest important roles for Gal-3 in P. brasiliensis infection, indicating that increased Gal-3 production during P. brasiliensis infection may account for affecting the fungal growth and EV stability, promoting a benefic course of experimental PCM.

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.

Cryptococcus neoformans is an important fungal pathogen, causing life-threatening pneumonia and meningoencephalitis. Brain dissemination of C. neoformans is thought to be a consequence of an active infection in the lung which then extravasates to other sites. Brain invasion results from dissemination via the bloodstream, either by free yeast cells in bloodstream or Trojan horse transport within mononuclear phagocytes. We assessed brain dissemination in three mouse models of infection: intravenous, intratracheal, and intranasal. All three modes of infection resulted in dissemination of C. neoformans to the brain in under 3 hours. Further, C. neoformans was detected in the entirety of the upper respiratory tract and the ear canals of mice. In recent years, intranasal infection has become a popular mechanism to induce pulmonary infection because it avoids surgery but our findings show that instillation of C. neoformans produces cryptococcal nasal infection. These findings imply that immunological studies using intranasal infection should assume the initial sites of infection of infection are brain, lung and upper respiratory tract, including the nasal airways.