TY - THES A1 - Popp, Christina T1 - Evolution of antifungal drug resistance of the human-pathogenic fungus \(Candida\) \(albicans\) T1 - Evolution der Antimykotikaresistenz im humanpathogenen Pilz \(Candida\) \(albicans\) N2 - Infections with the opportunistic yeast Candida albicans are frequently treated with the first-line drug fluconazole, which inhibits ergosterol biosynthesis. An alarming problem in clinics is the development of resistances against this azole, especially during long-term treatment of patients. Well-known resistance mechanisms include mutations in the zinc cluster transcription factors (ZnTFs) Mrr1 and Tac1, which cause an overexpression of efflux pump genes, and Upc2, which results in an overexpression of the drug target. C. albicans strains with such gain-of-function mutations (GOF) have an increased drug resistance conferring a selective advantage in the presence of the drug. It was previously shown that this advantage comes with a fitness defect in the absence of the drug. This was observed in different conditions and is presumably caused by a deregulated gene expression. One aim of the present study was to examine whether C. albicans can overcome the costs of drug resistance by further evolution. Therefore, the relative fitness of clinical isolates with one or a combination of different resistance mutations in Mrr1, Tac1 and/or Upc2 was analyzed in competition with the matched fluconazole-susceptible partner. Most fluconazole-resistant isolates had a decreased fitness in competition with their susceptible partner in vitro in rich medium. In contrast, three fluconazole-resistant strains with Mrr1 resistance mutations did not show a fitness defect in competition with their susceptible partner. In addition, the fitness of four selected clinical isolate pairs was examined in vivo in mouse models of gastrointestinal colonization (GI) and disseminated infection (IV). In the GI model all four fluconazole-resistant strains were outcompeted by their respective susceptible partner. In contrast, in the IV model only one out of four fluconazole-resistant isolates did show a slight fitness defect in competition with its susceptible partner during infection of the kidneys. It can be stated, that in the present work the in vitro fitness did not reflect the in vivo fitness and that the overall fitness was dependent on the tested conditions. In conclusion, C. albicans cannot easily overcome the costs of drug resistance caused by a deregulated gene expression. In addition to GOFs in Mrr1, Tac1 and Upc2, resistance mutations in the drug target Erg11 are a further key fluconazole resistance mechanism of C. albicans. Clinical isolates often harbor several resistance mechanisms, as the fluconazole resistance level is further increased in strains with a combination of different resistance mutations. In this regard, the question arises of how strains with multiple resistance mechanisms evolve. One possibility is that strains acquire mutations successively. In the present study it was examined whether highly drug-resistant C. albicans strains with multiple resistance mechanisms can evolve by parasexual recombination as another possibility. In a clonal population, cells with individually acquired resistance mutations could combine these advantageous traits by mating. Thereupon selection could act on the mating progeny resulting in even better adapted derivatives. Therefore, strains heterozygous for a resistance mutation and the mating type locus (MTL) were grown in the presence of fluconazole. Derivatives were isolated, which had become homozygous for the resistance mutation and at the same time for the MTL. This loss of heterozygosity was accompanied by increased drug resistance. In general, strains which are homozygous for one of both MTL configurations (MTLa and MTLα) can switch to the opaque phenotype, which is the mating-competent form of the yeast, and mate with cells of the opposite MTL. In the following, MTLa and MTLα homozygous strains in the opaque phenotype were mated in all possible combinations. The resulting mating products with combined genetic material from both parents did not show an increased drug resistance. Selected products of each mating cross were passaged with stepwise increasing concentrations of fluconazole. The isolated progeny showed high levels of drug resistance and loss of wild-type alleles of resistance-associated genes. In conclusion, selective pressure caused by fluconazole exposure selects for resistance mutations and at the same time induces genomic rearrangements, resulting in mating competence. Therefore, in a clonal population, cells with individually acquired resistance mutations can mate with each other and generate mating products with combined genetic backgrounds. Selection can act on these mating products and highly drug-resistant und thus highly adapted derivatives can evolve as a result. In summary, the present study contributes to the current understanding of the evolution of antifungal drug resistance by elucidating the effect of resistance mutations on the fitness of the strains in the absence of the drug selection pressure and investigates how highly drug-resistant strains could evolve within a mammalian host. N2 - Infektionen mit dem opportunistischen Hefepilz Candida albicans werden häufig mit dem First-Line-Medikament Fluconazol behandelt, welches die Ergosterol-Biosynthese hemmt. Ein besorgniserregendes Problem in der Klinik, insbesondere bei der Langzeitbehandlung von Patienten, ist die Entwicklung von Resistenzen gegen dieses Azol. Zu den bekannten Resistenzmechanismen gehören Resistenzmutationen in den Zink-Cluster-Transkriptionsfaktoren (ZnTFs) Mrr1 und Tac1, die eine Überexpression von Effluxpumpen-Genen bewirken und Resistenzmutationen in Upc2, die zu einer Überexpression des Wirkstofftargets führen. C. albicans Stämme mit solchen Gain-of-Function-Mutationen (GOF) weisen eine erhöhte Medikamentenresistenz auf, was einen selektiven Vorteil in Gegenwart des Medikaments bedeutet. Es wurde zuvor gezeigt, dass dieser Vorteil mit einem Fitnessdefekt in Abwesenheit des Medikaments einhergeht. Dies wurde in verschiedenen Bedingungen nachgewiesen und wird vermutlich durch eine deregulierte Genexpression verursacht. Ein Ziel der vorliegenden Studie war es zu untersuchen, ob C. albicans die Kosten der Medikamentenresistenz durch Evolution kompensieren kann. Daher wurde die relative Fitness von klinischen Isolaten mit einer oder einer Kombination verschiedener Resistenzmutationen in Mrr1, Tac1 und/oder Upc2 im Wettbewerb mit dem zugehörigen Fluconazol-sensitiven Partner analysiert. Die meisten Fluconazol-resistenten Isolate hatten eine verminderte Fitness im Wettbewerb mit ihrem sensitiven Partner in vitro in vollwertigem Medium. Dennoch zeigten drei Fluconazol-resistente Stämme mit Mrr1-Resistenzmutationen keinen Fitnessdefekt im Wettbewerb mit ihrem jeweiligen Partner. Zusätzlich wurde die Fitness von vier ausgewählten klinischen Isolat-Paaren in vivo in Mausmodellen für gastrointestinale Kolonisation (GI) und disseminierte Infektion (IV) untersucht. Im GI-Modell wurden alle vier Fluconazol-resistenten Stämme von ihren sensitiven Partnern überwachsen. Im Gegensatz dazu zeigte im IV-Modell nur einer der vier Fluconazol-resistenten Isolate einen leichten Fitnessdefekt im Wettbewerb mit dem jeweiligen Fluconazol-sensitiven Partner während der Infektion der Nieren. Es kann festgestellt werden, dass in der vorliegenden Arbeit die in vitro-Fitness nicht die in vivo-Fitness widerspiegelt und dass die Gesamtfitness von den getesteten Bedingungen abhängig ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass C. albicans die Kosten der Medikamentenresistenz, die durch eine deregulierte Genexpression verursacht werden, nur schwer überwinden kann. Neben GOFs in Mrr1, Tac1 und Upc2 sind Resistenzmutationen im Wirkstofftarget Erg11 ein wichtiger Resistenzmechanismus von C. albicans. Klinische Isolate weißen oft mehrere Resistenzmechanismen auf, da die Kombination verschiedener Resistenzmutationen die Fluconazol-Resistenz potenziert. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie sich Stämme mit mehreren Resistenzmechanismen entwickeln. Eine Möglichkeit ist, dass Stämme Mutationen sequenziell erwerben. In der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob als weitere Möglichkeit hochresistente C. albicans Stämme mit multiplen Resistenzmechanismen durch parasexuelle Rekombination evolvieren können. In einer klonalen Population könnten Zellen mit individuell erworbenen Resistenzmutationen diese vorteilhaften Eigenschaften durch Paarung kombinieren. Daraufhin könnte Selektionsdruck auf die Matingprodukte wirken und so die Entstehung von besser angepassten Derivaten begünstigen. Daher wurden Resistenzmutation und Mating Type Locus (MTL) heterozygote Stämme in Gegenwart von Fluconazol kultiviert. So konnten Derivate isoliert werden, die homozygot für die Resistenzmutation und gleichzeitig für den MTL geworden waren. Dieser Verlust der Heterozygotie ging mit einer erhöhten Medikamentenresistenz einher. Generell können Stämme, die homozygot für eine der beiden MTL-Konfigurationen (MTLa und MTLα) sind, in den opaque Phänotyp wechseln, der die paarungskompetente Form der Hefe darstellt, und sich mit Zellen des gegensätzlichen MTL paaren. Im Folgenden wurden MTLa und MTLα homozygote Stämme im opaque Phänotyp in allen möglichen Kombinationen verpaart. Die resultierenden Matingprodukte mit kombiniertem genetischem Material beider Elternteile wiesen keine erhöhte Medikamentenresistenz auf. Ausgewählte Paarungsprodukte jeder Kreuzung wurden mit stufenweise ansteigenden Konzentrationen von Fluconazol passagiert. Die isolierten Nachkommen zeigten ein hohes Maß an Medikamentenresistenz und den Verlust von Wildtyp-Allelen der resistenzassoziierten Gene. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der selektive Druck, der durch die Fluconazol-Exposition verursacht wird, für Resistenzmutationen selektiert und gleichzeitig genomische Umlagerungen induziert, die eine Paarung ermöglichen. Daher können sich in einer klonalen Population Zellen mit individuell erworbenen Resistenzmutationen miteinander paaren und Matingprodukte mit kombiniertem genetischem Hintergrund generieren. Auf diese Matingprodukte kann die Selektion wirken, woraufhin sich hochresistente und damit stark an ihre Umwelt angepasste Derivate entwickeln können. Zusammenfassend trägt die vorliegende Studie zum aktuellen Verständnis der Evolution der Antimykotika-Resistenz bei, indem sie den Effekt von Resistenzmutationen auf die Fitness der Stämme in Abwesenheit des Medikamenten-Selektionsdrucks untersucht und aufklärt, wie sich hochgradig resistente Stämme in einem Säugetierwirt entwickeln könnten. KW - Evolution KW - Resistenz KW - Fitness KW - Candida albicans KW - Fluconazol KW - Resistance KW - Fluconazole KW - Drug resistance KW - Human-pathogenic KW - Yeast Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-243515 ER - TY - THES A1 - Hampe, Irene Aurelia Ida T1 - Analysis of the mechanism and the regulation of histatin 5 resistance in \(Candida\) \(albicans\) T1 - Analyse des Mechanismus und der Regulierung von Histatin 5 Resistenz in \(Candida\) \(albicans\) N2 - Antimycotics such as fluconazole are frequently used to treat C. albicans infections of the oral mucosa. Prolonged treatment of the fungal infection with fluconazole pose a risk to resistance development. C. albicans can adapt to these stressful environmental changes by regulation of gene expression or by producing genetically altered variants that arise in the population. Adapted variants frequently carry activating mutations in zinc cluster transcription factors, which cause the upregulation of their target genes, including genes encoding efflux pumps that confer drug resistance. MDR1, regulated by the zinc cluster transcription factor Mrr1, as well as CDR1 and CDR2, regulated by the zinc cluster transcription factor Tac1, are well-known examples of genes encoding efflux pumps that extrude the antimycotic fluconazole from the fungal cell and thus contribute to the survival of the fungus. In this study, it was investigated if C. albicans can develop resistance to the antimicrobial peptide histatin 5, which serves as the first line of defence in the oral cavity of the human host. Recently, it was shown that C. albicans transports histatin 5 outside of the Candia cell via the efflux pump Flu1. As efflux pumps are often regulated by zinc cluster transcription factors, the Flu1 efflux pump could also be regulated by a zinc cluster transcription factor which could in a hyperactive form upregulate the expression of the efflux pump, resulting in increased export of histatin 5 and consequently in histatin 5 resistance. In order to find a zinc cluster transcription factor that upregulates FLU1 expression, a comprehensive library of C. albicans strains containing artificially activated forms of zinc cluster transcription factors was screened for suitable candidates. The screening was conducted on medium containing mycophenolic acid because mycophenolic acid is also a substrate of Flu1 and a strain expressing a hyperactive zinc cluster transcription factor that upregulates FLU1 expression should exhibit an easily recognisable mycophenolic acid-resistant phenotype. Further, FACS analysis, quantitative real-time RT-PCR analysis, broth microdilution assays as well as histatin 5 assays were conducted to analyse the mechanism and the regulation of histatin 5 resistance. Several zinc cluster transcription factors caused mycophenolic acid resistance and upregulated FLU1 expression. Of those, only hyperactive Mrr1 was able to confer increased histatin 5 resistance. Finding Mrr1 to confer histatin 5 resistance was highly interesting as fluconazole-resistant strains with naturally occurring Mrr1 gain of function mutations exist, which were isolated from HIV-infected patients with oral candidiasis. These Mrr1 gain of function mutations as well as artificially activated Mrr1 cause fluconazole resistance by upregulation of the efflux pump MDR1 and other target genes. In the course of the study, it was found that expression of different naturally occurring MRR1 gain-of-function mutations in the SC5314 wild type background caused increased FLU1 expression and increased histatin 5 resistance. The same was true for fluconazole-resistant clinical isolates with Mrr1 gain of function mutations, which also caused the overexpression of FLU1. Those cells were less efficiently killed by histatin 5 dependent on Mrr1. Surprisingly, FLU1 contributed only little to histatin 5 resistance, rather, overexpression of MDR1 mainly contributed to the Mrr1-mediated histatin 5 resistance, but also additional Mrr1-target genes were involved. These target genes are yet to be uncovered. Moreover, if a link between the yet unknown Mrr1-target genes contributing to fluconazole resistance and increased histatin 5 resistance can be drawn remains to be discovered upon finding of the responsible target genes. Collectively, this study contributes to the understanding of the impact of prolonged antifungal exposure on the interaction between host and fungus. Drug therapy can give rise to resistance evolution resulting in strains that have not only developed resistance to fluconazole but also to an innate host mechanism, which allows adaption to the host niche even in the absence of the drug. N2 - Antimykotika wie Fluconazol werden häufig zur Behandlung von C. albicans Infektionen der Mundschleimhaut verwendet. Dabei stellt eine langzeitige Behandlung der Pilzinfektion mit Fluconazol ein Risiko zur Resistenzentwicklung dar. C. albicans kann sich an solche Umweltveränderungen anpassen, indem es die Genexpression reguliert oder genetisch veränderte Varianten produziert, welche in der Population entstehen. Adaptierte Varianten tragen häufig aktivierende Mutationen in Zink-Cluster-Transkriptionsfaktoren, welche die Hochregulierung der Expression von Genen verursachen, darunter solche, die für Multidrug-Effluxpumpen kodieren und dadurch Antimykotikaresistenz verleihen können. MDR1, reguliert durch den Zink-Cluster-Transkriptionsfaktor Mrr1, sowie CDR1 und CDR2, reguliert durch den Zink-Cluster-Transkriptionsfaktor Tac1, sind bekannte Beispiele für Effluxpumpen, die das Antimykotikum Fluconazol aus der Pilzzelle extrudieren und somit zum Überleben der Pilzzelle beitragen. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob C. albicans eine Resistenz gegen das antimikrobielle Peptid Histatin 5 entwickeln kann, das in der Mundhöhle des menschlichen Wirtes als erste Verteidigungsbarriere gegen den Pilz dient. Kürzlich wurde gezeigt, dass C. albicans Histatin 5 über die Effluxpumpe Flu1 aus der Candia-Zelle heraustransportiert (Li et al., 2013). Da Effluxpumpen häufig durch Zink-Cluster-Transkriptionsfaktoren reguliert werden, könnte auch die Flu1-Effluxpumpe durch solch einen Transkriptionsfaktor reguliert werden, der in einer hyperaktiven Form die Expression der Effluxpumpe hochregulieren könnte, was wiederrum zu einem erhöhten Export von Histatin 5 und folglich zur Histatin 5 Resistenz führen könnte. Um einen Zink-Cluster-Transkriptionsfaktor zu finden, der die FLU1-Expression hochreguliert, wurde mit Hilfe einer Bibliothek von C. albicans-Stämmen, die künstlich aktivierte Formen von Zink-Cluster-Transkriptionsfaktoren enthält, nach geeigneten Kandidaten gesucht. Das Screening wurde auf Mycophenolsäure-haltigem Medium durchgeführt, da Mycophenolsäure ebenfalls ein Substrat von Flu1 ist. Folglich sollte ein Stamm mit hyperaktivem Zink-Cluster-Transkriptionsfaktor, welcher die FLU1-Expression hochreguliert, einen leicht erkennbaren Mycophenolsäure-resistenten Phänotyp aufweisen. Weiterhin wurden FACS-Analysen, quantitative real-time RT-PCR-Analysen, Broth microdilution-Assays sowie Histatin 5-Assays durchgeführt, um den Mechanismus und die Regulierung der Histatin-5-Resistenz zu analysieren. Mehrere Zink-Cluster-Transkriptionsfaktoren verursachten Mycophenolsäure-Resistenz und erhöhten die FLU1-Expression. Von diesen war nur hyperaktives Mrr1 in der Lage, eine erhöhte Histatin-5-Resistenz zu verleihen. Das Auffinden von Mrr1 als Regulator der Histatin 5-Resistenz war hochinteressant, da fluconazolresistente Stämme mit natürlich vorkommenden MRR1 gain-of-function Mutationen existieren, die aus HIV-infizierten Patienten mit oropharyngealer Candidiasis isoliert wurden. Diese gain-of-function Mutationen sowie künstlich aktivierendes Mrr1 verursachen Fluconazol-Resistenz durch Hochregulation der Effluxpumpe MDR1 und anderer Zielgene. Im Verlauf der Studie wurde herausgefunden, dass verschiedene natürlich vorkommende MRR1 gain-of-function Mutationen im SC5314 Wildtyp Hintergrund eine erhöhte FLU1-Expression und eine erhöhte Histatin-5-Resistenz verursachten. Das Gleiche galt für Fluconazol-resistente klinische Isolate mit Mrr1 gain-of-function Mutationen, welche die Überexpression von FLU1 verursachten. Zellen dieser Isolate wurden, abhängig von Mrr1, weniger wirksam durch Histatin 5 abgetötet. Überraschenderweise trug FLU1 nur wenig zur Histatin-5-Resistenz bei, vielmehr trug die Überexpression von MDR1 hauptsächlich zur Mrr1-vermittelten Histatin-5-Resistenz bei, aber auch weitere Mrr1-Zielgene waren daran beteiligt. Diese Mrr1-Zielgene gilt es nun noch zu entdecken. Ob ein Zusammenhang zwischen diesen noch unbekannten Mrr1-Zielgenen hergestellt werden kann, die zur Fluconazolresistenz sowie zu einer erhöhten Histatin-5-Resistenz beitragen, wird erst nach dem Auffinden der verantwortlichen Zielgene geprüft werden können. Zusammenfassend trägt diese Studie zum Verständnis der Auswirkungen einer anhaltenden antimykotischen Exposition auf die Interaktion zwischen Wirt und Pilz bei. Eine medikamentöse Therapie kann zu einer Resistenzentwicklung führen, aus der Stämme hervorgehen, welche nicht nur eine Resistenz gegen Fluconazol entwickelt haben, sondern gleichzeitig eine Resistenz gegen einen angeborenen Wirtsabwehrmechanismus, der eine Adaption an die Wirtsnische auch in Abwesenheit des Antimykotikums ermöglicht. KW - Histatin 5 KW - Candida albicans KW - Efflux pump KW - MDR1 KW - MRR1 KW - Mrr1 KW - MDR1 KW - Fluconazole KW - Efflux pump Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159634 ER -