Pathogenic microbes secrete various enzymes with lipolytic activities to facilitate their survival within the host. Lipolytic enzymes include extracellular lipases and phospholipases, and several lines of evidence have suggested that these enzymes contribute to the virulence of pathogenic fungi. Candida albicans and Cryptococcus neoformans are the most commonly isolated human fungal pathogens, and several biochemical and molecular approaches have identified their extracellular lipolytic enzymes. The role of lipases and phospholipases in the virulence of C. albicans has been extensively studied, and these enzymes have been shown to contribute to C. albicans morphological transition, colonization, cytotoxicity, and penetration to the host. While not much is known about the lipases in C. neoformans, the roles of phospholipases in the dissemination of fungal cells in the host and in signaling pathways have been described. Lipolytic enzymes may also influence the survival of the lipophilic cutaneous pathogenic yeast Malassezia species within the host, and an unusually high number of lipase-coding genes may complement the lipid dependency of this fungus. This review briefly describes the current understanding of the lipolytic enzymes in major human fungal pathogens, namely C. albicans, C. neoformans, and Malassezia spp.
Fungal pathogens have huge impact on health and economic wellbeing of human by causing life-threatening mycoses in immune-compromised patients or by destroying crop plants. A key determinant of fungal pathogenesis is their ability to undergo developmental change in response to host or environmental factors. Genetic pathways that regulate such morphological transitions and adaptation are therefore extensively studied during the last few decades. Given that epigenetic as well as genetic components play pivotal roles in development of plants and mammals, contribution of microbial epigenetic counterparts to this morphogenetic process is intriguing yet nearly unappreciated question to date. To bridge this gap in our knowledge, we set out to investigate histone modifications among epigenetic mechanisms that possibly regulate fungal adaptation and processes involved in pathogenesis of a model plant pathogenic fungus, Magnaporthe oryzae. For functional and comparative analysis of histone modifications, a web-based database (dbHiMo) was constructed first to archive and analyze histone modifying enzymes from eukaryotic species whose genome sequences are available. Based on the database entries, we carried out functional analysis of genes encoding histone modifying enzymes. Here I provide examples of such analyses that show how histone acetylation and methylation is implicated in regulating important aspects of fungal pathogenesis. Current analysis of histone modifying enzymes is followed by ChIP-seq and RNA-seq experiments to pinpoint the genes that are controlled by particular histone modifications. We anticipate that our work will provide not only the significant advances in our understanding of epigenetic mechanisms operating in microbial eukaryotes but also basis to expand our perspective on regulation of development in fungal pathogens.
Past decade systemic mycoses caused by opportunistic human fungal pathogens, including Candida, Aspergillus, and Cryptococcus, have been a growing problem for both immunocompromised and immunocompetent individuals. Particularly, Cryptococcus neoformans has recently emerged as a major fungal pathogen, which can cause fungal pneumonia and meningitis that are lethal if not timely medicated. However, treatment for cryptococcosis has been difficult due to a lack of proper anti-cryptococcal drugs with fungicidal activity and less toxicity. In this review we introduced novel therapeutic methods for treating cryptococcosis by exploring pathogenomic signa1ing networks of C. neoformans with genome-wide transcriptome approaches as well as diverse molecular/genetic tools.
Microorganisms are significantly affected when the ambient pH of their environment changes. They must therefore be able to sense and respond to these changes in order to survive. Previous investigators have studied various fungal species to define conserved pH-responsive signaling pathways. One of these pathways, known as the Pal/Rim pathway, is activated in response to alkaline pH signals, ultimately targeting the PacC/Rim101 transcription factor. Although the central signaling components are conserved among divergent filamentous and yeast-like fungi, there is some degree of signaling specificity between fungal species. This specificity exists primarily in the downstream transcriptional targets of this pathway, likely allowing differential adaptation to species-specific environmental niches. In this review, the role of the Pal/Rim pathway in fungal pH response is discussed. Also highlighted are functional differences present in this pathway among human fungal pathogens, differences that allow these specialized microorganisms to survive in the various micro-environments of the infected human host.
Cryptococcus neoformans is a basidiomycete human fungal pathogen that causes meningoencephalitis in both immunocompromised and immunocompetent individuals. The ability to sense and respond to diverse extracellular signals is essential for the pathogen to infect and cause disease in the host. Four major stress-activated signaling (SAS) pathways have been characterized in C. neoformans, including the HOG (high osmolarity glycerol response), PKC/Mpk1 MAPK (mitogen-activated protein kinase), calcium-dependent calcineurin, and RAS signaling pathways. The HOG pathway in C. neoformans not only controls responses to diverse environmental stresses, including osmotic shock, UV irradiation, oxidative stress, heavy metal stress, antifungal drugs, toxic metabolites, and high temperature, but also regulates ergosterol biosynthesis. The PKC(protein kinase C)/Mpk1 pathway in C. neoformans is involved in a variety of stress responses, including osmotic, oxidative, and nitrosative stresses and breaches of cell wall integrity. The $Ca^{2+}$/calmodulin- and Ras-signaling pathways also play critical roles in adaptation to certain environmental stresses, such as high temperature and sexual differentiation. Perturbation of the SAS pathways not only impairs the ability of C. neoformans to resist a variety of environmental stresses during host infection, but also affects production of virulence factors, such as capsule and melanin. A drug(s) capable of targeting signaling components of the SAS pathway will be effective for treatment of cryptococcosis.
Fungi employ diverse mechanisms for iron uptake to ensure proliferation and survival in iron-limited environments. Siderophores are secondary metabolite small molecules with a high affinity specifically for ferric iron; these molecules play an essential role in iron acquisition in fungi and significantly influence fungal physiology and virulence. Fungal siderophores, which are primarily hydroxamate types, are synthesized via non-ribosomal peptide synthetases (NRPS) or NRPS-independent pathways. Following synthesis, siderophores are excreted, chelate iron, and are transported into the cell by specific cell membrane transporters. In several human pathogenic fungi, siderophores are pivotal for virulence, as inhibition of their synthesis or transport significantly reduces disease in murine models of infection. This review briefly highlights siderophore biosynthesis and transport mechanisms in fungal pathogens as well the model fungi Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe. Understanding siderophore biosynthesis and transport in pathogenic fungi provides valuable insights into fungal biology and illuminates potential therapeutic targets for combating fungal infections.
Fungal pathogens have huge impact on health and economic wellbeing of human by causing life-threatening mycoses in immune-compromised patients or by destroying crop plants. A key determinant of fungal pathogenesis is their ability to undergo developmental change in response to host or environmental factors. Genetic pathways that regulate such morphological transitions and adaptation are therefore extensively studied during the last few decades. Given that epigenetic as well as genetic components play pivotal roles in development of plants and mammals, contribution of microbial epigenetic counterparts to this morphogenetic process is intriguing yet nearly unappreciated question to date. To bridge this gap in our knowledge, we set out to investigate histone modifications among epigenetic mechanisms that possibly regulate fungal adaptation and processes involved in pathogenesis of a model plant pathogenic fungus, Magnaporthe oryzae. M. oryzae is a causal agent of rice blast disease, which destroys 10 to 30% of the rice crop annually. Since the rice is the staple food for more than half of human population, the disease is a major threat to global food security. In addition to the socioeconomic impact of the disease it causes, the fungus is genetically tractable and can undergo well-defined morphological transitions including asexual spore production and appressorium (a specialized infection structure) formation in vitro, making it a model to study fungal development and pathogenicity. For functional and comparative analysis of histone modifications, a web-based database (dbHiMo) was constructed to archive and analyze histone modifying enzymes from eukaryotic species whose genome sequences are available. Histone modifying enzymes were identified applying a search pipeline built upon profile hidden Markov model (HMM) to proteomes. The database incorporates 22,169 histone-modifying enzymes identified from 342 species including 214 fungal, 33 plants, and 77 metazoan species. The dbHiMo provides users with web-based personalized data browsing and analysis tools, supporting comparative and evolutionary genomics. Based on the database entries, functional analysis of genes encoding histone acetyltransferases and histone demethylases is under way. Here I provide examples of such analyses that show how histone acetylation and methylation is implicated in regulating important aspects of fungal pathogenesis. Current analysis of histone modifying enzymes will be followed by ChIP-Seq and RNA-seq experiments to pinpoint the genes that are controlled by particular histone modifications. We anticipate that our work will provide not only the significant advances in our understanding of epigenetic mechanisms operating in microbial eukaryotes but also basis to expand our perspective on regulation of development in fungal pathogens.
The iron uptake and utilization pathways play a critical role in allowing human pathogens, including Cryptococcus neoformans, the causative agent of fatal meningoencephalitis, to survive within the mammalian body by competing with the host for iron. Here we show that the iron regulon is also required for diverse environmental stress responses and that in C. neoformans, it is regulated by the high-osmolarity glycerol response (HOG) pathway. Between CFO1 and CFO2, two ferroxidase genes in the iron regulon, CFO1 but not CFO2 was induced during oxidative and osmotic stress. Interestingly, we found that the HOG pathway repressed basal expression of both CFO1 and CFO2. Furthermore, when the HOG pathway was blocked, CFO2 also responded to oxidative and osmotic stress and the response of CFO1 was increased. We also established that CFO1 plays a major role in responding and adapting to diverse environmental stresses, including oxidative and genotoxic damage, osmotic fluctuations, heavy metal stress, and stress induced by cell membrane destabilizers. Therefore, our findings indicate that in C. neoformans, the iron uptake and utilization pathways are not only required for iron acquisition and survival, but also play a significant role in the environmental stress response through crosstalk with the HOG pathway.
Iron plays a key role in host-pathogen interactions. Microbial pathogens require iron for survival and virulence, whereas mammalian hosts sequester and withhold iron as a means of nutritional immunity. We previously identified two paralogous genes, CFT1 and CFT2, which encode homologs of a fungal iron permease, Cft1 and Cft2, respectively, in the human fungal pathogen Cryptococcus neoformans. Cft1 was shown to play a role in the high-affinity reductive iron uptake system, and was required for transferrin utilization and full virulence in mammalian hosts. However, no role of Cft2 has been suggested yet. Here, we identified the third gene, CFT3, that produces an additional fungal iron permease homolog in C. neoformans, and we also generated the cft3 mutant for functional characterization. We aimed to reveal distinct functions of Cft1, Cft2 and Cft3 by analyzing phenotypes of the mutants lacking CFT1, CFT2 and CFT3, respectively. The endogenous promoter of CFT1, CFT2 and CFT3 was replaced with the inducible GAL7 promoter in the wild-type strain or in the cft1 mutant for gain-of-function analysis. Using these strains, we were able to find that CFT2 is required for growth in low-iron conditions in the absence of CFT1 and that overexpression of CFT2 compensates for deficiency of the cft1 mutant in iron uptake and various cellular stress conditions. However, unlike CFT2, no clear phenotypic characteristic of the cft3 mutant and the strain overexpressing CFT3 was observed. Overall, our data suggested a redundant role of Cft2 in the high-affinity iron uptake and stress responses in C. neoformans.
Bio-aerosols transported by the air have been considered as the major source of dispersal agents that contaminate agricultural products. Unseen fungal spores are known sources of bio-aerosols that harm mushroom and human health during mushroom cultivation. This study was conducted to obtain basic data on the concentration and species distribution of fungi present in the indoor air of oak mushroom cultivation houses in Korea. In 2015 and 2016, we sampled and analyzed indoor airborne fungal spores 21 times from 13 oak mushroom cultivation farms located in six different provinces. The concentration of airborne fungi ranged from $1.30{\times}10^2$ to $1.59{\times}10^4cfu/m^3$. Surprisingly, in 20 sampling cases, the fungal concentration exceeded $500cfu/m^3$, which is recommended as the indoor air quality standard by the Ministry of Environment, Korea. A total of 450 fungi were isolated and identified to belong to 33 genera and 46 species. Among the identified fungi, human pathogens (4 genera and 4 species) and plant pathogens (10 genera and 13 species) were present. In addition, Trichoderma harzianum, Trichoderma atroviride, and Trichoderma longibrachiatum, which are detrimental species that affect mushroom health, were found 17 out of 21 sampling times. Our results provide evidence that indoor air quality should be improved for better management of mushroom cultivation houses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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