We report the discovery of a series of new drug leads that have potent activity against Mycobacterium tuberculosis as well as against other bacteria, fungi, and a malaria parasite. The compounds are analogues of the new tuberculosis (TB) drug SQ109 (1), which has been reported to act by inhibiting a transporter called MmpL3, involved in cell wall biosynthesis. We show that 1 and the new compounds also target enzymes involved in menaquinone biosynthesis and electron transport, inhibiting respiration and ATP biosynthesis, and are uncouplers, collapsing the pH gradient and membrane potential used to power transporters. The result of such multitarget inhibition is potent inhibition of TB cell growth, as well as very low rates of spontaneous drug resistance. Several targets are absent in humans but are present in other bacteria, as well as in malaria parasites, whose growth is also inhibited.

Abstract Candida albicans , the primary etiology of human mycoses, is well-adapted to catabolize proline to obtain energy to initiate morphological switching (yeast to hyphal) and for growth. We report that put1-/- and put2-/ - strains, carrying defective P roline UT ilization genes, display remarkable proline sensitivity with put2 -/- mutants being hypersensitive due to the accumulation of the toxic intermediate P5C, which inhibits mitochondrial respiration. The put1-/ - and put2-/- mutations attenuate virulence in Drosophila and murine candidemia models. Using intravital 2-photon microscopy and label-free non-linear imaging, we visualized the initial stages of C. albicans cells colonizing a kidney in real-time, directly deep in the tissue of a living mouse, and observed morphological switching of wildtype but not of put2-/- cells. Multiple members of the Candida species complex, including C. auris , are capable of using proline as a sole energy source. Our results indicate that a tailored proline metabolic network tuned to the mammalian host environment is a key feature of opportunistic fungal pathogens.

Candida albicans cells depend on the energy derived from amino acid catabolism to induce and sustain hyphal growth inside phagosomes of engulfing macrophages. The concomitant deamination of amino acids is thought to neutralize the acidic microenvironment of phagosomes, a presumed requisite for survival and initiation of hyphal growth. Here, in contrast to an existing model, we show that mitochondrial-localized NAD+-dependent glutamate dehydrogenase (GDH2) catalyzing the deamination of glutamate to α-ketoglutarate, and not the cytosolic urea amidolyase (DUR1,2), accounts for the observed alkalization of media when amino acids are the sole sources of carbon and nitrogen. C. albicans strains lacking GDH2 (gdh2-/-) are viable and do not extrude ammonia on amino acid-based media. Environmental alkalization does not occur under conditions of high glucose (2%), a finding attributable to glucose-repression of GDH2expression and mitochondrial function. Consistently, inhibition of oxidative phosphorylation or mitochondrial translation by antimycin A or chloramphenicol, respectively, prevents alkalization. GDH2 expression and mitochondrial function are derepressed as glucose levels are lowered from 2% (~110 mM) to 0.2% (~11 mM), or when glycerol is used as carbon source. Using time-lapse microscopy, we document that gdh2-/- cells survive, filament and escape from primary murine macrophages at rates indistinguishable from wildtype. Consistently, gdh2-/- strains are as virulent as wildtype in fly and murine models of systemic candidiasis. Thus, although Gdh2 has a critical role in central nitrogen metabolism, Gdh2-catalyzed deamination of glutamate is surprisingly dispensable for escape from macrophages and virulence, demonstrating that amino acid-dependent alkalization is not essential for hyphal growth, survival in macrophages and hosts. An accurate description of the microenvironment within the phagosomal compartment of macrophages and the metabolic events underlying the survival of phagocytosed C. albicans cells and their escape are critical to understanding the host-pathogen interactions that ultimately determine the pathogenic outcome.

Abstract The transition metal iron plays a crucial role in living cells. However, high level of iron is potentially toxic through the production of reactive oxygen species (ROS), serving as a deterrent to the commensal fungus Candida albicans for colonization in the iron-rich gastrointestinal (GI) tract. We observe that the mutant lacking an iron-responsive transcription factor Hap43 is hyper-fit for colonization in murine gut. We demonstrate that high iron specifically triggers multiple post-translational modifications (PTMs) and proteasomal degradation of Hap43, a vital process guaranteeing the precision of intestinal ROS detoxification. Reduced levels of Hap43 lead to de-repression of antioxidant genes and therefore alleviate the deleterious ROS derived from iron metabolism. Our data reveal that Hap43 functions as a negative regulator for oxidative stress-adaptation of C. albicans to gut colonization and thereby provide a new insight into understanding the interplay between iron homeostasis and fungal commensalism. Importance Iron homeostasis is critical for creatures. Candida albicans is one of the major commensals in the GI tract where is iron-replete environment. Transcriptional factor Hap43 was believed to repress iron utilizations genes in iron-depleted conditions for decades. However, the mystery in iron-replete conditions of Hap43 has never been uncovered. We discovered that reduced levels of Hap43 via phosphorylation-dependent nuclear export, followed by proteosome-mediated protein degradation, leads to de-repression of downstream antioxidant genes and promote its colonization in GI tract. We propose that C. albicans has a strict detoxification process to ensure its survival, which has important implications for understanding how the fungi survives in the mammalian host.

Abstract The fungus Cryptococcus neoformans is considered the leading cause of death in immunocompromised patients. Despite numerous investigations concerning its molecular epidemiology, there are only a few studies addressing the impacts of varying factors on genotype-phenotype correlations. It remains largely unknown whether genetic and environmental variabilities among isolates from different sources may have dramatic consequences on virulence. In this study, we analyzed 105 Chinese C. neoformans isolates, including 54 from HIV-infected patients, 44 from HIV-uninfected individuals and 7 from a natural environment, to investigate factors influencing the outcome of C. neoformans infection. MLST analysis clearly identified sequence type (ST) 5 as the prevalent sequence type in all clinical isolates and interestingly, genotypic diversities were observed in isolates from both HIV-uninfected individual and natural environment but not those from HIV-infected patients. Moreover, we found that compared to those from HIV-infected patients, the isolates from HIV-uninfected individuals exhibited enhanced virulence-associated traits including significantly elevated capsule production and melanin formation, increases in survival in human cerebrospinal fluid (CSF), less effective uptake by host phagocytes, and higher mortality in a mouse model of cryptococcosis. Consistently, pathogenic phenotypes were associated with CD4 counts of patients, implying environmental impact on within-host C. neoformans virulence. Importantly, a large-scale whole-genome sequencing analysis revealed that genomic variations within genes related to specific functions may act as a vital driving force of host intrinsic virulence evolution. Taken together, our results support a strong genotype-phenotype correlation suggesting that the pathogenic evolution of C. neoformans could be heavily affected by both genetic and environmental factors.