Candida albicans is a commensal fungus of the human gastrointestinal tract and a prevalent opportunistic pathogen. To examine diversity within this species, extensive genomic and phenotypic analyses were performed on 21 clinical C. albicans isolates. Genomic variation was evident in the form of polymorphisms, copy number variations, chromosomal inversions, subtelomeric hypervariation, loss of heterozygosity (LOH), and whole or partial chromosome aneuploidies. All 21 strains were diploid, although karyotypic changes were present in eight of the 21 isolates, with multiple strains being trisomic for Chromosome 4 or Chromosome 7. Aneuploid strains exhibited a general fitness defect relative to euploid strains when grown under replete conditions. All strains were also heterozygous, yet multiple, distinct LOH tracts were present in each isolate. Higher overall levels of genome heterozygosity correlated with faster growth rates, consistent with increased overall fitness. Genes with the highest rates of amino acid substitutions included many cell wall proteins, implicating fast evolving changes in cell adhesion and host interactions. One clinical isolate, P94015, presented several striking properties including a novel cellular phenotype, an inability to filament, drug resistance, and decreased virulence. Several of these properties were shown to be due to a homozygous nonsense mutation in the EFG1 gene. Furthermore, loss of EFG1 function resulted in increased fitness of P94015 in a commensal model of infection. Our analysis therefore reveals intra-species genetic and phenotypic differences in C. albicans and delineates a natural mutation that alters the balance between commensalism and pathogenicity.

Abstract Tolerance to antifungal drug concentrations above the minimal inhibitory concentration (MIC) is rarely quantified, and current clinical recommendations suggest it should be ignored. Here, we quantify antifungal tolerance in Candida albicans isolates as the fraction of growth above the MIC, and find that it is distinct from susceptibility/resistance. Instead, tolerance is due to the slow growth of subpopulations of cells that overcome drug stress more efficiently than the rest of the population, and correlates inversely with intracellular drug accumulation. Many adjuvant drugs used in combination with fluconazole, a widely used fungistatic drug, reduce tolerance without affecting resistance. Accordingly, in an invertebrate infection model, adjuvant combination therapy is more effective than fluconazole in treating infections with highly tolerant isolates and does not affect infections with low tolerance isolates. Furthermore, isolates recovered from immunocompetent patients with persistent candidemia display higher tolerance than isolates readily cleared by fluconazole. Thus, tolerance correlates with, and may help predict, patient responses to fluconazole therapy.

Abstract Drug susceptibility, defined by the minimal inhibitory concentration (MIC), often does not predict whether fungal infections will respond to therapy in the clinic. Tolerance at supra-MIC antifungal drug concentrations is rarely quantified and current clinical recommendations suggest it be ignored. Here, we measured and characterized drug-response variables that could influence the outcomes of fungal infections and be generalizable across major clades of Candida albicans , one of the most frequently isolated human fungal pathogens. We quantified antifungal tolerance as the fraction of growth (FoG) above the MIC and found that it is clearly distinct from susceptibility/resistance measured as MIC. Instead, tolerance is due to the slow growth of subpopulations of cells that overcome drug stress more efficiently than the rest of the population, and correlates inversely with the accumulation of intracellular drug. Importantly, many adjuvant drugs used together with fluconazole, a fungistatic drug, reduce tolerance without affecting resistance. These include inhibitors of major stress response hubs such as Hsp90, calcineurin, PKC1 and TOR. Accordingly, in an invertebrate infection model, adjuvant combination therapy was significantly more effective than fluconazole alone in treating highly tolerant isolates and did not improve the treatment of isolates with low tolerance levels. Furthermore, isolates recovered from immunocompetent patients with persistent candidemia displayed significantly higher tolerance than isolates that were readily cleared by fluconazole. Thus, tolerance correlates with the response to fluconazole therapy in patients and may help predict whether infections will respond to fluconazole alone. Similarly, measuring tolerance may provide a useful clinical parameter for choosing appropriate therapeutic strategies to overcome persistent clinical candidemia.

ABSTRACT Candida albicans is a pathobiont that colonizes multiple niches in the body including the gastrointestinal (GI) tract, but is also responsible for both mucosal and systemic infections. Despite its prevalence as a human commensal, the murine GI tract is generally refractory to colonization with the C. albicans reference isolate SC5314. Here, we identify two C. albicans isolates, 529L and CHN1, that stably colonize the murine GI tract in three different animal facilities under conditions where SC5314 is lost from this niche. Analysis of the bacterial microbiota did not show notable differences between mice colonized with the three C. albicans strains. We compared the genotypes and phenotypes of these three strains and identified thousands of SNPs and multiple phenotypic differences, including their ability to grow and filament in response to nutritional cues. Despite striking filamentation differences under laboratory conditions, however, analysis of cell morphology in the GI tract revealed that the three isolates exhibited similar filamentation properties in this in vivo niche. Notably, we found that SC5314 is more sensitive to the antimicrobial peptide CRAMP, and the use of CRAMP-deficient mice increased the ability of SC5314 to colonize the GI tract relative to CHN1 and 529L. These studies provide new insights into how strain-specific differences impact C. albicans traits in the host and advance CHN1 and 529L as relevant strains to study C. albicans pathobiology in its natural host niche. IMPORTANCE Understanding how fungi colonize the GI tract is increasingly recognized as highly relevant to human health. The animal models used to study Candida albicans commensalism commonly rely on altering the host microbiome (via antibiotic treatment or defined diets) to establish successful GI colonization by the C. albicans reference isolate SC5314. Here, we characterize two C. albicans isolates that can colonize the murine GI tract without antibiotic treatment and can therefore be used as tools for studying fungal commensalism. Importantly, experiments were replicated in three different animal facilities and utilized three different mouse strains. Differential colonization between fungal isolates was not associated with alterations in the bacterial microbiome but rather with distinct responses to CRAMP, a host antimicrobial peptide. This work emphasizes the importance of C. albicans intra-species variation as well as host anti-microbial defense mechanisms in defining commensal interactions.

ABSTRACT The human commensal and opportunistic fungal pathogen Candida albicans displays extensive genetic and phenotypic variation across clinical isolates. Here, we performed RNA sequencing on 21 well-characterized isolates to examine how genetic variation contributes to gene expression differences, and to link these differences to phenotypic traits. C. albicans adapts primarily through clonal evolution and yet hierarchical clustering of gene expression profiles in this set of isolates did not reproduce their phylogenetic relationship. Strikingly, strain-specific gene expression was prevalent in some strain backgrounds. Association of gene expression with phenotypic data by differential analysis, linear correlation, and assembly of gene networks connected both previously characterized and novel genes with 23 C. albicans traits. Construction of de novo gene modules produced a gene atlas incorporating 67% of C. albicans genes and revealed correlations between expression modules and important phenotypes such as systemic virulence. Furthermore, targeted investigation of two modules that have novel roles in growth and filamentation supported our bioinformatic predictions. Together, these studies reveal widespread transcriptional variation across C. albicans isolates and identify genetic and epigenetic links to phenotypic variation based on co-expression network analysis. Importance Infectious fungal species are often treated uniformly despite clear evidence of genotypic and phenotypic heterogeneity being widespread across strains. Identifying the genetic basis for this phenotypic diversity is extremely challenging because of the tens or hundreds of thousands of variants that may distinguish two strains. Here we use transcriptional profiling to determine differences in gene expression that can be linked to phenotypic variation among a set of 21 Candida albicans isolates. Analysis of this transcriptional dataset uncovered clear tends in gene expression characteristics for this species and new genes and pathways that associated with variation in pathogenic processes. Direct investigation confirmed functional predictions for a number of new regulators associated with growth and filamentation, demonstrating the utility of these approaches in linking genes to important phenotypes.

Candida albicans is a ubiquitous fungus in the human gut microbiome as well as a prevalent cause of opportunistic mucosal and systemic disease. There is currently little understanding, however, as to how crosstalk between C. albicans and the host regulates colonization of this key niche. Here, we performed expression profiling on ileal and colonic tissues in germ-free mice colonized with C. albicans to define the global response to this fungus. We reveal that Duox2 and Duoxa2 , encoding dual NADPH oxidase activity, are upregulated in both the ileum and colon, and that induction requires the C. albicans yeast-hyphal transition and the hyphal-specific toxin candidalysin. Hosts lacking the IL-17 receptor failed to upregulate Duox2/Duoxa2 in response to C. albicans , while addition of IL-17A to colonoids induced these genes together with the concomitant production of hydrogen peroxide. To directly define the role of Duox2/Duoxa2 in fungal colonization, antibiotic-treated mice lacking intestinal DUOX2 activity were evaluated for C. albicans colonization and host responses. Surprisingly, loss of DUOX2 function reduced fungal colonization at extended time points (>17 days colonization) and increased the proportion of hyphal cells in the gut. IL-17A levels were also elevated in C. albicans -colonized mice lacking functional DUOX2 highlighting cross-regulation between this cytokine and DUOX2. Together, these experiments reveal novel links between fungal cells, candidalysin toxin and the host IL-17-DUOX2 axis, and that a complex interplay between these factors regulates C. albicans filamentation and colonization in the gut.

Candida albicans is a heterozygous diploid yeast that is a commensal of the human gastrointestinal (GI) tract and a prevalent opportunistic pathogen. Here, whole-genome sequencing was performed on multiple C. albicans isolates passaged in different niches to characterize the complete spectrum of mutations arising during microevolution. We reveal that evolution during short time-scales (<600 generations) is driven by both de novo base substitutions and short-tract loss of heterozygosity (LOH) events. In contrast, large-scale chromosomal changes are relatively rare, although chromosome 7 trisomies repeatedly emerged during passaging in one GI colonization model. Both strain background and chromosomal features affected mutational patterns, with mutation rates being greatly elevated in regions adjacent to emergent LOH tracts. Mutation rates were also elevated during host infection where genomes showed strong evidence of purifying selection. These results establish the genetic events driving C. albicans evolution and that this heterozygous diploid is extensively shaped by purifying selection.

Abstract Understanding the forces impacting genome stability is important for diverse processes such as tumorigenesis and reproductive biology. The pathogenic yeast Candida albicans displays unusual genome dynamics in which tetraploid cells, but not diploid cells, become unstable when grown on a glucose-rich ‘pre-sporulation’ medium. Here, we reveal that C. albicans polyploid cells are metabolically hyperactive on this medium as evidenced by increased expression of metabolic genes as well as higher rates of fermentation and oxidative respiration. These cells also show elevated levels of reactive oxygen species (ROS), activate the ROS-responsive transcription factor Cap1, and accrue DNA double-strand breaks. Suppression of ROS levels reduced oxidative stress, DNA damage and chromosome instability. These studies reveal how metabolic flux can generate endogenous ROS, triggering DNA damage and genome instability in polyploid, but not diploid, cells. We discuss parallels with metabolism-induced instability in cancer cells and propose that ROS-induced DNA damage could have facilitated ploidy cycling in eukaryotes prior to the evolution of meiosis.

The opportunistic fungal pathogen Candida albicans lacks a conventional sexual program and is thought to evolve, at least primarily, through the clonal acquisition of genetic changes. Here, we performed an analysis of heterozygous diploid genomes from 21 clinical isolates to determine the natural evolutionary processes acting on the C. albicans genome. Consistent with a model of inheritance by descent, most single nucleotide polymorphisms (SNPs) were shared between closely related strains. However, strain-specific SNPs and insertions/deletions (indels) were distributed non-randomly across the genome. For example, base substitution rates were higher in the immediate vicinity of indels, and heterozygous regions of the genome contained significantly more strain-specific polymorphisms than homozygous regions. Loss of heterozygosity (LOH) events also contributed substantially to genotypic variation, with most long-tract LOH events extending to the ends of the chromosomes suggestive of repair via break-induced replication. Importantly, some isolates contained highly mosaic genomes and failed to cluster closely with other isolates within their assigned clades. Mosaicism is consistent with strains having experienced inter-clade recombination during their evolutionary history and a detailed examination of nuclear and mitochondrial genomes revealed striking examples of recombination. Together, our analyses reveal that both (para)sexual recombination and mitotic mutational processes drive evolution of this important pathogen in nature. To further facilitate the study of genome differences we also introduce an online platform, SNPMap, to examine SNP patterns in sequenced C. albicans genomes.