Abstract Candida albicans is a major cause of invasive candidiasis, which has a high mortality rate. The hyphal form of C. albicans is virulent and activates the host innate immune response, while the yeast form is hypovirulent and less immunogenic. The innate immune response is critical for host defense, but overactivation can cause tissue damage and sepsis. The innate immune response can be triggered when the C-type lectin receptor Dectin-1 recognizes β-glucans, which is protected by the outer mannan layer of the cell wall on C. albicans . Here, we demonstrate that there is low level of Dectin-1 binding at the septum of yeast cells, but high level of Dectin-1 binding over the entire surface of hyphae. We find that β-glucan masking in yeast is controlled by two highly expressed yeast proteins, the endo-1,3-β-glucanase Eng1 and the Yeast Wall Protein Ywp1. An eng1 deletion mutant shows enhanced Dectin-1 binding at the septa, while an eng1 ywp1 double mutant, but not an ywp1 single mutant, shows strong overall Dectin-1 binding. Thus, Eng1-mediated β-glucan trimming and Ywp1-mediated β-glucan masking are two parallel mechanisms utilized by C. albicans yeast to minimize recognition by Dectin-1. In the model of disseminated candidiasis, mice infected with the eng1 deletion mutant showed delayed mortality with an increased renal immune response in males compared to mice infected with the wild-type strain, but earlier mortality with a higher renal immune response in females. Using the eng1 mutant that is specifically defective in β-glucan masking in yeast, this study demonstrates that the level of β-glucan exposure is important for modulating the balance between immune protection and immunopathogenesis. Abstract Importance Candida albicans is a major opportunistic fungal pathogen of humans. Systemic Candidiasis has high mortality rates. C. albicans is also a constituent of the human microbiome and found in gastrointestinal and genitourinary tracts of most healthy individuals. C. albicans is able to switch reversibly between yeast and hyphae in response to environmental cues. The hyphal form is virulent, while the yeast form is hypovirulent and less immunogenic. This study demonstrates that β-glucan exposure in yeast is protected by two highly expressed yeast proteins, the endo-1,3-β-glucanase Eng1 and the Yeast Wall Protein Ywp1. Eng1-mediated β-glucan trimming and Ywp1-mediated β-glucan masking are two parallel mechanisms utilized by C. albicans yeast to minimize recognition by the host C-type lectin receptor Dectin-1. The eng1 mutant triggers a higher immune response and leads to earlier mortality compared to the wild-type strain. Thus, β-glucan masking in yeast keeps yeast cells less immunogenic and hypovirulent.

ABSTRACT Ergosterol is essential for fungal cell membrane integrity and growth, and numerous antifungal drugs target ergosterol. Inactivation or modification of ergosterol biosynthetic genes can lead to changes in antifungal drug susceptibility, filamentation and stress response. Here, we found that the ergosterol biosynthesis gene ERG251 is a hotspot for point mutations during adaptation to antifungal drug stress within two distinct genetic backgrounds of Candida albicans . Heterozygous point mutations led to single allele dysfunction of ERG251 and resulted in azole tolerance in both genetic backgrounds. This is the first known example of point mutations causing azole tolerance in C. albicans. Importantly, single allele dysfunction of ERG251 in combination with recurrent chromosome aneuploidies resulted in bona fide azole resistance. Homozygous deletions of ERG251 caused increased fitness in low concentrations of fluconazole and decreased fitness in rich medium, especially at low initial cell density. Dysfunction of ERG251 resulted in transcriptional upregulation of the alternate sterol biosynthesis pathway and ZRT2 , a Zinc transporter. Notably, we determined that overexpression of ZRT2 is sufficient to increase azole tolerance in C. albicans . Our combined transcriptional and phenotypic analyses revealed the pleiotropic effects of ERG251 on stress responses including cell wall, osmotic and oxidative stress. Interestingly, while loss of either allele of ERG251 resulted in similar antifungal drug responses, we observed functional divergence in filamentation regulation between the two alleles of ERG251 ( ERG251-A and ERG251-B ) with ERG251-A exhibiting a dominant role in the SC5314 genetic background. Finally, in a murine model of systemic infection, homozygous deletion of ERG251 resulted in decreased virulence while the heterozygous deletion mutants maintain their pathogenicity. Overall, this study provides extensive genetic, transcriptional and phenotypic analysis for the effects of ERG251 on drug susceptibility, fitness, filamentation and stress responses. AUTHOR SUMMARY Invasive infections caused by the fungal pathogen Candida albicans have high mortality rates (20-60%), even with antifungal drug treatment. Numerous mechanisms contributing to drug resistance have been characterized, but treatment failure remains a problem indicating that there are many facets that are not yet understood. The azole class of antifungals targets production of ergosterol, an essential component of fungal cell membranes. Here, we provide insights into the contributions of ERG251, a component of the ergosterol biosynthesis pathway, to increased growth in azoles as well as broad scale effects on stress responses filamentation and pathogenicity. One of the most striking results from our study is that even a single nucleotide change in one allele of ERG251 in diploid C. albicans can lead to azole tolerance. Tolerance, a distinct phenotype from resistance, is the ability of fungal cells to grow above the minimum inhibitory concentration in a drug concentration-independent manner. Tolerance frequently goes undetected in the clinic because it is not observable in standard assays. Strikingly, azole tolerance strains lacking one allele of ERG251 remained virulent in a mouse model of infection highlighting the potential for mutations in ERG251 to arise and contribute to treatment failure in patients.

Abstract During infection the host relies on pattern-recognition receptors to sense invading fungal pathogens to launch immune defense mechanisms. While fungal recognition and immune effector responses are organ and cell type specific, during disseminated candidiasis myeloid cells exacerbate collateral tissue damage. However, the complex interplay between protective antifungal immunity and immunopathology remains incompletely understood. The β-glucan receptor ephrin type-A 2 receptor (EphA2) is required to initiate mucosal inflammatory responses during oral Candida infection. Here we report that Epha2 promotes renal immunopathology during disseminated candidiasis. EphA2 deficiency leads to reduced renal inflammation and injury. Comprehensive analyses reveal that EphA2 limits IL-23 secretion in dendritic cells, while IL-23 signaling prevents ferroptotic myeloid cell death during infection. Further, ferroptosis aggravates inflammation during infection, while at the same time reducing the fungal killing capacity of macrophages. Thus, we identify ferroptotic cell death as a critical pathway of Candida- mediated renal immunopathology that opens a new avenue to tackle Candida infection and inflammation.

Abstract Phosphate is an essential macronutrient required for cell growth and division. Pho84 is the major high-affinity cell-surface phosphate importer of Saccharomyces cerevisiae and a crucial element in the phosphate homeostatic system of this model yeast. We found that loss of Candida albicans Pho84 attenuated virulence in Drosophila and murine oropharyngeal and disseminated models of invasive infection, and conferred hypersensitivity to neutrophil killing. Susceptibility of cells lacking Pho84 to neutrophil attack depended on reactive oxygen species (ROS): pho84-/- cells were no more susceptible than wild type C. albicans to neutrophils from a patient with chronic granulomatous disease, or to those whose oxidative burst was pharmacologically inhibited or neutralized. pho84-/- mutants hyperactivated oxidative stress signalling. They accumulated intracellular ROS in the absence of extrinsic oxidative stress, in high as well as low ambient phosphate conditions. ROS accumulation correlated with diminished levels of the unique superoxide dismutase Sod3 in pho84-/- cells, while SOD3 overexpression from a conditional promoter substantially restored these cells’ oxidative stress resistance in vitro. Repression of SOD3 expression sharply increased their oxidative stress hypersensitivity. Neither of these oxidative stress management effects of manipulating SOD3 transcription was observed in PHO84 wild type cells. Sod3 levels were not the only factor driving oxidative stress effects on pho84-/- cells, though, because overexpressing SOD3 did not ameliorate these cells’ hypersensitivity to neutrophil killing ex vivo, indicating Pho84 has further roles in oxidative stress resistance and virulence. Measurement of cellular metal concentrations demonstrated that diminished Sod3 expression was not due to decreased import of its metal cofactor manganese, as predicted from the function of S. cerevisiae Pho84 as a low-affinity manganese transporter. Instead of a role of Pho84 in metal transport, we found its role in TORC1 activation to impact oxidative stress management: overexpression of the TORC1-activating GTPase Gtr1 relieved the Sod3 deficit and ROS excess in pho84-/- null mutant cells, though it did not suppress their hypersensitivity to neutrophil killing or hyphal growth defect. Pharmacologic inhibition of Pho84 by small molecules including the FDA-approved drug foscarnet also induced ROS accumulation. Inhibiting Pho84 could hence support host defenses by sensitizing C. albicans to oxidative stress.

Ergosterol is essential for fungal cell membrane integrity and growth, and numerous antifungal drugs target ergosterol. Inactivation or modification of ergosterol biosynthetic genes can lead to changes in antifungal drug susceptibility, filamentation and stress response. Here, we found that the ergosterol biosynthesis gene ERG251 is a hotspot for point mutations during adaptation to antifungal drug stress within two distinct genetic backgrounds of Candida albicans. Heterozygous point mutations led to single allele dysfunction of ERG251 and resulted in azole tolerance in both genetic backgrounds. This is the first known example of point mutations causing azole tolerance in C. albicans. Importantly, single allele dysfunction of ERG251 in combination with recurrent chromosome aneuploidies resulted in bona fide azole resistance. Homozygous deletions of ERG251 caused increased fitness in low concentrations of fluconazole and decreased fitness in rich medium, especially at low initial cell density. Homozygous deletions of ERG251 resulted in accumulation of ergosterol intermediates consistent with the fitness defect in rich medium. Dysfunction of ERG251, together with FLC exposure, resulted in decreased accumulation of the toxic sterol (14-ɑ-methylergosta-8,24(28)-dien-3β,6α-diol) and increased accumulation of non-toxic alternative sterols. The altered sterol composition of the ERG251 mutants had pleiotropic effects on transcription, filamentation, and stress responses including cell membrane, osmotic and oxidative stress. Interestingly, while dysfunction of ERG251 resulted in azole tolerance, it also led to transcriptional upregulation of ZRT2, a membrane-bound Zinc transporter, in the presence of FLC, and overexpression of ZRT2 is sufficient to increase azole tolerance in wild-type C. albicans. Finally, in a murine model of systemic infection, homozygous deletion of ERG251 resulted in decreased virulence while the heterozygous deletion mutants maintain their pathogenicity. Overall, this study demonstrates that single allele dysfunction of ERG251 is a recurrent and effective mechanism of acquired azole tolerance. We propose that altered sterol composition resulting from ERG251 dysfunction mediates azole tolerance as well as pleiotropic effects on stress response, filamentation and virulence.

Abstract During hematogenously disseminated candidiasis, blood borne fungi must invade the endothelial cells that line the blood vessels to infect the deep tissues. Although Candida albicans , which forms hyphae, readily invades endothelial cells, other medically important species of Candida are poorly invasive in standard in vitro assays. Here, we show that Candida glabrata, Candida tropicalis, Candida parapsilosis , and Candida krusei can bind to vitronectin and high molecular weight kininogen present in human serum. Acting as bridging molecules, vitronectin and kininogen bind to αv integrins and the globular C1q receptor (gC1qR), inducing human endothelial cells to endocytose the fungus. This mechanism of endothelial cell invasion is poorly supported by mouse endothelial cells, but can be restored when mouse endothelial cells are engineered to express human gC1qR or αv integrin. Overall, these data indicate that bridging molecule-mediated endocytosis is a common pathogenic strategy used by many medically important Candida spp . to invade human vascular endothelial cells. Significance The invasion of vascular endothelial cells is a key step in the pathogenesis of hematogenously disseminated candidiasis. How species of Candida other than C. albicans invade endothelial cells is poorly understood because these fungi are weakly invasive in serum-free media. Here, we demonstrate that C. glabrata and other Candida spp. bind to the serum proteins kininogen and vitronectin, which act as bridging molecules and mediate the adherence and endocytosis of the organisms by endothelial cells. These serum proteins induce endocytosis when they interact with the globular C1q receptor and αv integrins on human, but not mouse endothelial cells. Thus, bridging molecule-mediated endocytosis is a common mechanism by which medically important Candida spp. invade human endothelial cells.

ABSTRACT Major Candida albicans virulence traits include its ability to make hyphae, to produce a biofilm, and to damage host cells. These traits depend upon expression of hypha-associated genes. A gene expression comparison among clinical isolates suggested that transcription factor Rme1 , established by previous studies to be a positive regulator of chlamydospore formation, may also be a negative regulator of hypha-associated genes. Engineered RME1 overexpression supported this hypothesis, but no relevant rme1 Δ/Δ mutant phenotype was detected. We reasoned that Rme1 may function within a specific regulatory pathway. This idea was supported by our finding that an rme1 Δ/Δ mutation relieves the need for biofilm regulator Brg1 in biofilm formation. The impact of the rme1 Δ/Δ mutation is most prominent under static or “biofilm-like” growth conditions. RNA sequencing (RNA-seq) of cells grown under biofilm-like conditions indicates that Brg1 activates hypha-associated genes indirectly via repression of RME1 : hypha-associated gene expression levels are substantially reduced in a brg1 Δ/Δ mutant and partially restored in a brg1 Δ/Δ rme1 Δ/Δ double mutant. An rme1 Δ/Δ mutation does not simply bypass Brg1, because iron homeostasis genes depend upon Brg1 regardless of Rme1. Rme1 thus connects Brg1 to the targets relevant to hypha and biofilm formation under biofilm growth conditions. IMPORTANCE Candida albicans is a major fungal pathogen of humans, and its ability to grow as a surface-associated biofilm on implanted devices is a common cause of infection. Here, we describe a new regulator of biofilm formation, RME1 , whose activity is most prominent under biofilm-like growth conditions.

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.

Mucosal barrier integrity is vital for homeostasis with commensal organisms while preventing pathogen invasion. We unexpectedly found that fungal-induced immunosurveillance enhances resistance to fungal outgrowth and tissue invasion by remodeling the oral mucosal epithelial barrier in mouse models of adult and neonatal

Abstract Phosphatidylinositol phosphates are key phospholipids with a range of regulatory roles, including membrane trafficking and cell polarity. Phosphatidylinositol-4-phosphate [PI(4)P] at the Golgi is required for the budding to filamentous growth transition in the human pathogenic fungus Candida albicans , however the role of plasma membrane PI(4)P is unclear. We have investigated the importance of this phospholipid in C. albicans growth, stress response, and virulence by generating mutant strains with decreased levels of plasma membrane PI(4)P, via deletion of components of the PI-4-kinase complex, i.e. Efr3, Ypp1 and Stt4. The amount of plasma membrane PI(4)P in the efr3Δ/Δ and ypp1Δ/Δ mutant was ∼60% and ∼40% of the wild-type strain, respectively, whereas it was nearly undetectable in the stt4Δ/Δ mutant. All three mutants had reduced plasma membrane phosphatidylserine (PS). Although these mutants had normal yeast phase growth, they were defective in filamentous growth, exhibited defects in cell wall integrity and had an increased exposure of cell wall β(1,3)-glucan, yet they induced a range of hyphal specific genes. In a mouse model of hematogenously disseminated candidiasis, fungal plasma membrane PI(4)P levels directly correlated with virulence; the efr3Δ/Δ had wild-type virulence, the ypp1Δ/Δ mutant had attenuated virulence and the stt4Δ/Δ mutant caused no lethality. In the mouse model of orpharyngeal candidiasis, only the ypp1Δ/Δ mutant had reduced virulence, indicating that plasma membrane PI(4)P is less important for proliferation in the oropharynx. Collectively, these results demonstrate that plasma membrane PI(4)P levels play a central role in filamentation, cell wall integrity and virulence in C. albicans . Importance While the PI-4-kinases Pik1 and Stt4 both produce PI(4)P, the former generates PI(4)P at the Golgi and the latter at the plasma membrane and these two pools are functionally distinct. To address the importance of plasma membrane PI(4)P in Candida albicans, we have generated deletion mutants of the three putative plasma membrane PI-4-kinase complex components and quantified the levels of plasma membrane PI(4)P in each of these strains. Our work reveals that this phosphatidylinositol phosphate is specifically critical for the yeast-to-hyphal transition, cell wall integrity and virulence in a mouse systemic infection model. The significance of this work is in identifying a plasma membrane phospholipid that has an infection specific role, which is attributed to the loss of plasma membrane PI(4)P resulting in β(1,3)-glucan unmasking.