ABSTRACT Candida albicans is a frequent colonizer of human mucosal surfaces as well as an opportunistic pathogen. C. albicans is remarkably versatile in its ability to colonize diverse host sites with differences in oxygen and nutrient availability, pH, immune responses, and resident microbes, among other cues. It is unclear how the genetic background of a commensal colonizing population can influence the shift to pathogenicity. Therefore, we undertook an examination of commensal isolates from healthy donors with a goal of identifying site-specific phenotypic adaptation and genetic variation associated with these phenotypes. We demonstrate that healthy people are reservoirs for genotypically and phenotypically diverse C. albicans strains, and that this genetic diversity includes both SNVs and structural rearrangements. Using limited diversity exploitation, we identified a single nucleotide change in the uncharacterized ZMS1 transcription factor that was sufficient to drive hyper invasion into agar. However, our commensal strains retained the capacity to cause disease in systemic models of infection, including outcompeting the SC5314 reference strain during systemic competition assays. This study provides a global view of commensal strain variation and within-host strain diversity of C. albicans and suggests that selection for commensalism in humans does not result in a fitness cost for invasive disease.

Abstract Antimicrobial drug resistance poses a global health threat, requiring a deeper understanding of the evolutionary processes that lead to its emergence in pathogens. Complex evolutionary dynamics involve multiple mutations that can result in cooperative or competitive (clonal interference) effects. Candida albicans , a major fungal pathogen, displays high rates of copy number variation (CNV) and loss of heterozygosity (LOH). CNV and LOH events involve large numbers of genes and could synergize during evolutionary adaptation. Understanding the contributions of CNV and LOH to antifungal drug adaptation is challenging, especially in the context of whole-population genome sequencing. Here, we document the sequential evolution of fluconazole tolerance and then resistance in a C. albicans isolate involving an initial CNV on chromosome 4, followed by an LOH on chromosome R that involves KSR1 . Similar LOH events involving KSR1, which encodes a reductase involved in sphingolipid biosynthesis, were also detected in independently evolved fluconazole resistant isolates. We dissect the specific KSR1 codons that affect fluconazole resistance and tolerance. The combination of the chromosome 4 CNV and KSR1 LOH results in a >500-fold increase in azole resistance, illustrating a compelling example of rapid, yet step-wise, interplay between CNV and LOH in drug resistance evolution.

Abstract Fungal pathogens like Candida albicans can cause devastating human disease. Treatment of candidemia is complicated by the high rate of resistance to common antifungal therapies. Additionally, there is host toxicity associated with many antifungal compounds due to the conservation between essential mammalian and fungal proteins. An attractive new approach for antimicrobial development is to target virulence factors: non-essential processes that are required for the organism to cause disease in human hosts. This approach expands the potential target space while reducing the selective pressure towards resistance, as these targets are not essential for viability. In C. albicans, a key virulence factor is the ability to transition to hyphal morphology. We developed a high-throughput image analysis pipeline to distinguish between yeast and filamentous growth in C. albicans at the single cell level. Based on this phenotypic assay, we screened the FDA drug repurposing library of 2,017 compounds for their ability to inhibit filamentation and identified 33 compounds that block the hyphal transition in C. albicans with IC 50 values ranging from 0.2 to 150 µM. Multiple compounds showed a phenyl vinyl sulfone chemotype, prompting further analysis. Of these phenyl vinyl sulfones, NSC 697923 displayed the most efficacy, and by selecting for resistant mutants, we identified eIF3 as the target of NSC 697923 in C. albicans .