ABSTRACT Aspergillus fumigatus is a deadly agent of human fungal disease, where virulence heterogeneity is thought to be at least partially structured by genetic variation between strains. While population genomic analyses based on reference genome alignments offer valuable insights into how gene variants are distributed across populations, these approaches fail to capture intraspecific variation in genes absent from the reference genome. Pan-genomic analyses based on de novo assemblies offer a promising alternative to reference-based genomics, with the potential to address the full genetic repertoire of a species. Here, we use a combination of population genomics, phylogenomics, and pan-genomics to assess population structure and recombination frequency, phylogenetically structured gene presence-absence variation, evidence for metabolic specificity, and the distribution of putative antifungal resistance genes in A. fumigatus . We provide evidence for three primary populations of A. fumigatus , structured by both gene variation (SNPs and indels) and distinct gene presence-absence variation with unique suites of accessory genes present exclusively in each clade. Accessory genes displayed functional enrichment for nitrogen and carbohydrate metabolism, suggesting that populations may be stratified by environmental niche specialization. Similarly, the distribution of antifungal resistance genes and resistance alleles were often structured by phylogeny. A. fumigatus demonstrated exceptionally high levels of recombination and one of the largest fungal pan-genomes reported to date including many genes unrepresented in the Af293 reference genome. These results highlight the inadequacy of relying on a single-reference genome-based approach for evaluating intraspecific variation, and the power of combined genomic approaches to elucidate population structure, genetic diversity, and putative ecological drivers of clinically relevant fungi.

Abstract The prevalence of Aspergillus fumigatus colonization in individuals with Cystic Fibrosis (CF) and subsequent fungal persistence in the lung is increasingly recognized. However, there is no consensus for clinical management of A. fumigatus in CF individuals, due largely to uncertainty surrounding A. fumigatus CF pathogenesis and virulence mechanisms. To address this gap in knowledge, a longitudinal series of A. fumigatus isolates from an individual with CF were collected over 4.5 years. Isolate genotypes were defined with whole genome sequencing that revealed both transitory and persistent A. fumigatus in the lung. Persistent lineage isolates grew most readily in a low oxygen culture environment and conidia were more sensitive to oxidative stress inducing conditions compared to non-persistent isolates. Closely related persistent isolates harbor a unique allele of the high osmolarity glycerol (HOG) pathway mitogen activated protein kinase kinase, Pbs2 ( pbs2 C2 ). Data suggest this novel pbs2 C2 allele arose in vivo and is necessary for the fungal response to osmotic stress in a low oxygen environment through hyperactivation of the HOG (SakA) signaling pathway. Hyperactivation of the HOG pathway through pbs2 C2 comes at the cost of decreased conidia stress resistance in the presence of atmospheric oxygen levels. These novel findings shed light on pathoadaptive mechanisms of A. fumigatus in CF, lay the foundation for identifying persistent A. fumigatus isolates that may require antifungal therapy, and highlight considerations for successful culture of persistent fungal CF isolates. Importance Aspergillus fumigatus infection causes a spectrum of clinical manifestations. For individuals with Cystic Fibrosis (CF), Allergic Bronchopulmonary Aspergillosis (ABPA) is an established complication, but there is a growing appreciation for A. fumigatus airway persistence in CF disease progression. There currently is little consensus for clinical management of A. fumigatus long-term culture positivity in CF. A better understanding of A. fumigatus pathogenesis mechanisms in CF is expected to yield insights into when antifungal therapies are warranted. Here, a 4.5-year longitudinal collection of A. fumigatus isolates identified a persistent lineage that harbors a unique allele of the Pbs2 MAPKK necessary for unique CF-relevant stress phenotypes. Importantly for A. fumigatus CF patient diagnostics, this allele provides increased CF lung fitness at a cost of reduced in vitro growth in standard laboratory conditions. These data illustrate a molecular mechanism for A. fumigatus CF lung persistence with implications for diagnostics and antifungal therapy.

Abstract Researchers studying cystic fibrosis (CF) pathogens have produced numerous RNA-seq datasets which are available in the gene expression omnibus (GEO). Although these studies are publicly available, substantial computational expertise and manual effort are required to compare similar studies, visualize gene expression patterns within studies, and use published data to generate new experimental hypotheses. Furthermore, it is difficult to filter available studies by domain-relevant attributes such as strain, treatment, or media, or for a researcher to assess how a specific gene responds to various experimental conditions across studies. To reduce these barriers to data re-analysis, we have developed an R Shiny application called CF-Seq, which works with a compendium of 147 studies and 1,446 individual samples from 13 clinically relevant CF pathogens. The application allows users to filter studies by experimental factors and to view complex differential gene expression analyses at the click of a button. Here we present a series of use cases that demonstrate the application is a useful and efficient tool for new hypothesis generation. (CFSeq: http://scangeo.dartmouth.edu/CFSeq/ )

ABSTRACT Contemporary antifungal therapies utilized to treat filamentous fungal infections are inhibited by intrinsic and emerging drug resistance. Consequently, there is an urgent need to develop novel antifungal compounds that are effective against drug-resistant filamentous fungi. Here, we utilized an Aspergillus fumigatus cell-based high-throughput screen to identify small molecules with antifungal activity that also potentiated triazole activity. The screen identified 16 hits with promising activity against A. fumigatus . A nonspirocyclic piperidine, herein named MBX-7591, exhibited synergy with triazole antifungal drugs and activity against pan-azole-resistant A. fumigatus isolates. MBX-7591 has additional potent activity against Rhizopus species and CO 2 -dependent activity against Cryptococcus neoformans . Chemical, genetic, and biochemical mode of action analyses revealed that MBX-7591 increases cell membrane saturation by decreasing oleic acid content. MBX-7591 has low toxicity in vivo and shows good efficacy in decreasing fungal burden in a murine model of invasive pulmonary aspergillosis. Taken together, our results suggest MBX-7591 is a promising hit with a novel mode of action for further antifungal drug development to combat the rising incidence of triazole-resistant filamentous fungal infections. IMPORTANCE The incidence of infections caused by fungi continues to increase with advances in medical therapies. Unfortunately, antifungal drug development has not kept pace with the incidence and importance of fungal infections, with only three major classes of antifungal drugs currently available for use in the clinic. Filamentous fungi, also called molds, are particularly recalcitrant to contemporary antifungal therapies. Here, a recently developed Aspergillus fumigatus cell reporter strain was utilized to conduct a high-throughput screen to identify small molecules with antifungal activity. An emphasis was placed on small molecules that potentiated the activity of contemporary triazole antifungals and led to the discovery of MBX-7591. MBX-7591 potentiates triazole activity against drug-resistant molds such as A. fumigatus and has activity against Mucorales fungi. MBX-7591’s mode of action involves inhibiting the conversion of saturated to unsaturated fatty acids, thereby impacting fungal membrane integrity. MBX-7591 is a novel small molecule with antifungal activity poised for lead development.

ABSTRACT Aspergillus fumigatus is a human fungal pathogen that is most often avirulent in immune competent individuals because the innate immune system is efficient at eliminating fungal conidia. However, recent clinical observations have shown that severe Influenza A virus (IAV) infection can lead to secondary A. fumigatus infections with high mortality. Little is currently known about how IAV infection alters the innate antifungal immune response. Here, we established a murine model of IAV-induced A. fumigatus (IAV-Af) superinfection by inoculating mice with IAV followed 6 days later by A. fumigatus conidia challenge. We observed increased mortality in the IAV-Af superinfected mice compared to mice challenged with either IAV or A. fumigatus alone. A. fumigatus conidia were able to germinate and establish a biofilm in the lungs of the IAV-Af superinfection group, which was not seen following fungal challenge alone. While we did not observe any differences in inflammatory cell recruitment in the IAV-Af superinfection group compared to single infection controls, we observed defects in Aspergillus conidial uptake and killing by both neutrophils and monocytes after IAV infection. pHrodo-Zymosan and CM-H2DCFDA staining, indicators of phagolysosome maturation and ROS production, respectively, revealed that the fungal killing defect was due in part to reduced phagolysosome maturation. Collectively, our data demonstrate that the ability of neutrophils and monocytes to kill and clear Aspergillus conidia is strongly reduced in the pulmonary environment of an IAV-infected lung, which leads to Invasive Pulmonary Aspergillosis and increased overall mortality in our mouse model recapitulating what is observed clinically in humans. IMPORTANCE Influenza A virus (IAV) is a common respiratory virus that causes seasonal illness in humans, but can cause pandemics and severe infection in certain patients. Since the emergence of the 2009 H1N1 pandemic strains, there has be an increase in clinical reports of IAV infected patients in the intensive care unit (ICU) developing secondary pulmonary aspergillosis. These cases of flu- Aspergillus superinfections are associated with worse clinical outcomes than secondary bacterial infections in the setting of IAV. To date, we have a limited understanding of the cause(s) of secondary fungal infections in immune competent hosts. IAV-induced modulation of cytokine production and innate immune cellular function generates a unique immune environment in the lung, which could make the host vulnerable to a secondary fungal infection. Our work shows that defects in phagolysosome maturation in neutrophils and monocytes after IAV infection impairs the ability of these cells to kill A. fumigatus thus leading to increased fungal germination and growth and subsequent invasive aspergillosis. Our work lays a foundation for future mechanistic studies examining the exact immune modulatory events occurring in the respiratory tract after viral infection leading to secondary fungal infections.

ABSTRACT Aspergillus fumigatus is a filamentous fungus which can cause multiple diseases in humans. Allergic Broncho-pulmonary Aspergillosis (ABPA) is a disease diagnosed primarily in Cystic Fibrosis patients caused by a severe allergic response often to long-term A. fumigatus colonization in the lungs. Mice develop an allergic response to repeated inhalation of A. fumigatus spores; however, no strains have been identified that can survive long-term in the mouse lung and cause ABPA-like disease. We characterized A. fumigatus strain W72310 by whole genome sequencing and in vitro and in vivo viability assays in comparison to a common reference strain, CEA10. W72310 was resistant to leukocyte-mediated killing and persisted in the mouse lung longer than CEA10, a phenotype that correlated with greater resistance to oxidative stressors, hydrogen peroxide and menadione, in vitro . In animals both sensitized and challenged with W72310, conidia, but not hyphae, were viable in the lungs for up to 21 days in association with eosinophilic airway inflammation, airway leakage, serum IgE, and mucus production. W72310-sensitized mice that were recall-challenged with conidia had increased inflammation, Th1 and Th2 cytokines, and airway leakage compared to controls. Collectively, our studies demonstrate that a unique strain of A. fumigatus resistant to leukocyte killing can persist in the mouse lung in conidial form and elicit features of ABPA-like disease. IMPORTANCE Allergic Broncho-pulmonary Aspergillosis (ABPA) patients often present with long-term colonization of Aspergillus fumigatus . Current understanding of ABPA pathogenesis has been complicated by a lack of long-term in vivo fungal persistence models. We have identified a clinical isolate of A. fumigatus , W72310, which persists in the murine lung and causes an ABPA-like disease phenotype. Surprisingly, while viable, W72310 showed little to no growth beyond the conidial stage in the lung. This indicates that it is possible that A. fumigatus can cause allergic disease in the lung without any significant hyphal growth. The identification of this strain of A. fumigatus can not only be used to better understand disease pathogenesis of ABPA and potential anti-fungal treatments, but also to identify features of fungal strains that drive long-term fungal persistence in the lung. Consequently, these observations are a step toward helping resolve the long-standing question when to utilize antifungal therapies in patients with ABPA and fungal allergic type diseases.

SYNOPSIS Background Fusarium keratitis is an infection of the cornea that often results in corneal perforation requiring corneal transplantation even with topical ocular antifungal therapy. The polyene natamycin remains the current antifungal of choice for Fusarium keratitis, but prompt sterilization of the cornea is often not achieved with contemporary therapy. Recently, natamycin synergy with the beta-adrenergic antagonist timolol against Fusarium species was reported. Objective Our objective in this study was to characterize the in vitro antifungal effects of additional beta-adrenergic antagonists alone or in combination with natamycin on Fusarium keratitis isolates from the Mycotic Ulcer Treatment Trial (MUTT) and USA. Methods Microbroth dilution assays were used to determine the minimal inhibitory concentration (MIC) of beta-adrenergic antagonists against 18 Fusarium spp . keratitis (10 from MUTT, 8 from USA) and 3 Aspergillus fumigatus isolates. The fractional inhibitory concentration index (FICI) was calculated to assess interactions with natamycin. Results Most beta-blockers did not show antifungal activity or synergy with natamycin with the exception of propranolol. A racemic mix of propranolol had fungicidal activity with MIC between 31 and 83 μg/mL for the Fusarium isolates. The MIC of the less cardioactive R enantiomer was lower (27-83 μg/mL) than the MIC of the S enantiomer (42-104 μg/mL). The MICs of both propranolol and natamycin were lower in combination but were not synergistic. The MIC of propranolol was 156 μg/mL for the A. fumigatus isolates. Conclusions Propranolol has intrinsic in vitro fungicidal activity and lowers the MIC of natamycin. Both the R and S enantiomers of propranolol had antifungal activity with the MIC modestly but significantly lower for R-propranolol. These findings have relevance both for the treatment of fungal keratitis and of glaucoma in the setting of fungal keratitis. Further study of propranolol’s antifungal activity may lead to a novel treatment for fungal keratitis and possibly other fungal infections. Trial Registration ClinicalTrials.gov Identifier: NCT00997035 (MUTT Trial)

Abstract Alanine metabolism has been suggested as an adaptation strategy to oxygen limitation in organisms ranging from plants to mammals. Within the pulmonary infection microenvironment A. fumigatus forms biofilms with steep oxygen gradients defined by regions of oxygen limitation. A significant increase in alanine levels was observed in A. fumigatus cultured under oxygen limiting conditions. An alanine aminotransferase, AlaA, was observed to function in alanine catabolism and is required for several aspects of A. fumigatus biofilm physiology. Loss of alaA , or its catalytic activity, results in decreased adherence of biofilms through a defect in the maturation of the extracellular matrix polysaccharide galactosaminogalactan (GAG). Additionally, exposure of cell wall polysaccharides is also impacted by loss of alaA and loss of AlaA catalytic activity confers increased biofilm susceptibility to echinocandin treatment which is correlated with enhanced fungicidal activity. The increase in echinocandin susceptibility is specific to biofilms and chemical inhibition of alaA by the alanine aminotransferase inhibitor β-chloro-L-alanine is sufficient to sensitize A. fumigatus biofilms to echinocandin treatment. Finally, loss of alaA increases susceptibility of A. fumigatus to in vivo echinocandin treatment in a murine model of invasive pulmonary aspergillosis. Our results provide insight into the interplay of metabolism, biofilm formation, and antifungal drug resistance in A. fumigatus and describes a mechanism of increasing susceptibility of A. fumigatus biofilms to the echinocandin class of antifungal drugs. eLife Digest Aspergillus fumigatus is a ubiquitous filamentous fungus that causes an array of diseases depending on the immune status of an individual, collectively termed aspergillosis. Antifungal therapy for invasive pulmonary aspergillosis (IPA) or chronic pulmonary aspergillosis (CPA) is limited and too often ineffective. This is in part due to A. fumigatus biofilm formation within the infection environment and the resulting emergent properties, particularly increased antifungal resistance. Thus, insights into biofilm formation and mechanisms driving increased antifungal drug resistance are critical for improving existing therapeutic strategies and development of novel antifungals. In this work, we describe an unexpected observation where alanine metabolism, via the alanine aminotransferase AlaA, is required for several aspects of A. fumigatus biofilm physiology including resistance of A. fumigatus biofilms to the echinocandin class of antifungal drugs. Importantly, we observed that chemical inhibition of alanine aminotransferases is sufficient to increase echinocandin susceptibility and that loss of alaA increases susceptibility to echinocandin treatment in a murine model of IPA.

ABSTRACT Aspergillus fumigatus isolates display significant heterogeneity in growth, virulence, pathology, and inflammatory potential in multiple murine models of invasive aspergillosis. Previous studies have linked the initial germination of a fungal isolate in the airways to the inflammatory and pathological potential; but the mechanism(s) regulating A. fumigatus germination in the airways are unresolved. To explore the genetic basis for divergent germination phenotypes, we utilized a serial passaging strategy in which we cultured a slow germinating strain (AF293) in a murine lung based medium for multiple generations. Through this serial passaging approach, a strain emerged with an increased germination rate that induces more inflammation than the parental strain (herein named L ung H omogenate Evol ved (LH-EVOL)). We identified a potential loss of function allele of Afu5g08390 ( sskA ) in the LH-EVOL strain. The LH-EVOL strain had a decreased ability to induce the SakA-dependent stress pathway, similar to AF293 Δ sskA and CEA10. In support of the whole genome variant analyses, sskA , sakA , or mpkC loss of function strains in the AF293 parental strain increased germination both in vitro and in vivo . Since the airway surface liquid of the lungs contains low glucose levels, the relationship of low glucose concentration on germination of these mutant AF293 strains was examined; interestingly, in low glucose conditions the sakA pathway mutants exhibited an enhanced germination rate. In conclusion, A. fumigatus germination in the airways is regulated by SskA through the SakA MAPK pathway and drives enhanced disease initiation and inflammation in the lungs. IMPORTANCE Aspergillus fumigatus is an important human fungal pathogen particularly in immunocompromised individuals. Initiation of growth by A. fumigatus in the lung is important for its pathogenicity in murine models. However, our understanding of what regulates fungal germination in the lung environment is lacking. Through a serial passage experiment using lung-based medium, we identified a new strain of A. fumigatus which has increased germination potential and inflammation in the lungs. Using this serially passaged strain we found it had a decreased ability to mediate signaling through the osmotic stress response pathway. This finding was confirmed using genetic null mutants demonstrating that the osmotic stress response pathway is critical for regulating growth in the murine lungs. Our results contribute to the understanding of A. fumigatus adaptation and growth in the host lung environment.

ABSTRACT Persons with cystic fibrosis, starting in early life, have intestinal microbiome dysbiosis characterized in part by a decreased relative abundance of the genus Bacteroides . Bacteroides is a major producer of the intestinal short chain fatty acid (SCFA) propionate. We demonstrate here that CFTR-/- Caco-2 intestinal epithelial cells are responsive to the anti-inflammatory effects of propionate. Furthermore, Bacteroides isolates inhibit the IL-1β-induced inflammatory response of CFTR-/- Caco-2 intestinal epithelial cells and do so in a propionate-dependent manner. Bacteroides isolates also produce low levels of butyrate; this SCFA is positively correlated with inhibition of the inflammatory response. Finally, the introduction of Bacteroides- supplemented stool from infants with CF into the gut of Cftr F508del mice results in an increase in propionate in the stool as well as the reduction in several systemic pro-inflammatory cytokines. Bacteroides supplementation also reduced the fecal relative abundance of E. coli , indicating a potential interaction between these two microbes, consistent with previous clinical studies. Together, our data indicate the important role of Bacteroides and Bacteroides -derived propionate in the context of the developing microbiome in infants and children with CF, which could help explain the observed gut-lung axis in CF.