Cytolytic proteins and peptide toxins are classical virulence factors of several bacterial pathogens which disrupt epithelial barrier function, damage cells and activate or modulate host immune responses. Such toxins have not been identified previously in human pathogenic fungi. Here we identify the first, to our knowledge, fungal cytolytic peptide toxin in the opportunistic pathogen Candida albicans. This secreted toxin directly damages epithelial membranes, triggers a danger response signalling pathway and activates epithelial immunity. Membrane permeabilization is enhanced by a positive charge at the carboxy terminus of the peptide, which triggers an inward current concomitant with calcium influx. C. albicans strains lacking this toxin do not activate or damage epithelial cells and are avirulent in animal models of mucosal infection. We propose the name ‘Candidalysin’ for this cytolytic peptide toxin; a newly identified, critical molecular determinant of epithelial damage and host recognition of the clinically important fungus, C. albicans. This study identifies a cytolytic peptide toxin in the opportunistic human fungal pathogen Candida albicans—the peptide is both a crucial virulence factor that permeabilizes the host cell plasma membrane and a key signal that triggers a host danger response pathway. This study identifies and characterizes a cytolytic peptide toxin in the opportunistic human fungal pathogen Candida albicans. The peptide, termed Candidalysin, acts both as a crucial virulence factor that permeabilizes the host cell plasma membrane and as a key signal that triggers a host danger-response pathway.

Abstract Chitin is a highly abundant polysaccharide in nature and linked to immune recognition of fungal infections and asthma in humans. Ubiquitous in fungi and insects, chitin is absent in mammals and plants and, thus, represents a microbe-associated molecular pattern (MAMP). However, the highly polymeric chitin is insoluble, which potentially hampers recognition by host immune sensors. In plants, secreted chitinases degrade polymeric chitin into diffusible oligomers, which are ‘fed to’ innate immune receptors and co-receptors. In human and murine immune cells, a similar enzymatic activity was shown for human chitotriosidase (CHIT1) and oligomeric chitin is sensed via an innate immune receptor, Toll-like receptor (TLR) 2. However, a complete system of generating MAMPs from chitin and feeding them into a specific receptor/co-receptor-aided sensing mechanism has remained unknown in mammals. Here, we show that the secreted chitinolytic host enzyme, CHIT1, converts inert polymeric chitin into diffusible oligomers that can be sensed by TLR1-TLR2 co-receptor/receptor heterodimers, a process promoted by the lipopolysaccharide binding protein (LBP) and CD14. Furthermore, we observed that Chit1 is induced via the β-glucan receptor Dectin-1 upon direct contact of immortalized human macrophages to the fungal pathogen Candida albicans , whereas the defined fungal secreted aspartyl proteases, Sap2 and Sap6, from C. albicans were able to degrade CHIT1 in vitro. Our study shows the existence of an inducible system of MAMP generation in the human host that enables contact-independent immune activation by diffusible MAMP ligands with striking similarity to the plant kingdom. Moreover, this study highlights CHIT1 as a potential therapeutic target for TLR2-mediated inflammatory processes that are fueled by oligomeric chitin.

The opportunistic fungal pathogen Candida albicans damages host cells via its peptide toxin, candidalysin. Before secretion, candidalysin is embedded in a precursor protein, Ece1, which consists of a signal peptide, the precursor of candidalysin and seven non-candidalysin Ece1 peptides (NCEPs), and is found to be conserved in clinical isolates. Here we show that the Ece1 polyprotein does not resemble the usual precursor structure of peptide toxins. C. albicans cells are not susceptible to their own toxin, and single NCEPs adjacent to candidalysin are sufficient to prevent host cell toxicity. Using a series of Ece1 mutants, mass spectrometry and anti-candidalysin nanobodies, we show that NCEPs play a role in intracellular Ece1 folding and candidalysin secretion. Removal of single NCEPs or modifications of peptide sequences cause an unfolded protein response (UPR), which in turn inhibits hypha formation and pathogenicity in vitro. Our data indicate that the Ece1 precursor is not required to block premature pore-forming toxicity, but rather to prevent intracellular auto-aggregation of candidalysin sequences.