published_or_final_version / Oral Biology / Doctoral / Doctor of Philosophy

The human pathogen Candida albicans is polymorphic, and its ability to switch growth forms is thought to play an important role in virulence. The primary research aim of this thesis was to understand the role the mitotic exit network plays in C. albicans with particular focus on the Tem1 GTPase protein. This aim was split into three specific goals; to study the role of Tem1 through the construction of a regulatable tem1 mutant, to understand the regulation of Tem1 through localisation and protein interaction studies, and to construct new molecular tools utilising the NAT1 positive selection marker in order to achieve two previous goals. In this thesis we demonstrated that TEM1 is an essential gene in C. albicans, and its essential function is signalled through the Cdc15 protein. Surprisingly, Tem1p depleted cells arrested as hyper-polarised filaments containing one or two nuclei and ultimately lost viability. These filaments formed from budding yeast cells, suggestive of a blockage late in the cell cycle. Ultimately the failure of these filaments to undergo cytokinesis was linked to a defect in septin ring dynamics and the formation of actomyosin ring. To understand the regulation of Tem1 we localised both the Tem1 and Lte1 proteins and found that Tem1 localised to spindle pole bodies in a cell-cycle dependent fashion by recruited at the onset of S phase. In contrast, the Lte1 homolog localised to the daughter cell cortex prior to release into the cytoplasm at the end of the cell cycle. A yeast 2-hybrid analysis of the MEN components demonstrated the potential of Bfa1/Bub2 and Tem1 to form a complex and the ability of Tem1 to homodimerise which may play a role in its self-activation. In order to carry out various aspects of this work we constructed a fully functional set of cassettes, including the constitutively active ENO1 promoter, V5-6xHIS epitope tag and various fluorescent protein genes fused to the NAT1 positive selection marker. When considered together, these results indicate that Tem1 is required for timely mitotic exit and cytokinesis in C. albicans, similar to S. cerevisiae, but the final output of the pathway must have diverged.

Trabajo de Investigación Requisito para optar al Título de Cirujano Dentista / Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento / Introducción: La estomatitis protésica (EP) es una patología frecuente que afecta a sujetos portadores de prótesis removible (PR). Ésta se caracteriza por la inflamación y eritema de la mucosa adyacente a la PR y su etiología ha sido relacionada a múltiples factores. El principal de ellos es la presencia de recuentos elevados de levaduras del género Candida, sin embargo, el aumento de este microorganismo sería determinado por otras variables, las cuales dependen del hospedero, de la misma levadura, así como del microambiente oral. Esto a su vez, determina mayor complejidad en su tratamiento, el cual ha sido objeto de múltiples investigaciones en los últimos años. El objetivo de esta investigación es determinar las características microbiológicas y salivales de adultos mayores portadores de prótesis removible con y sin estomatitis protésica, al inicio del proyecto al cual este estudio está adscrito, denominado “Efecto del consumo de bebidas lácteas enriquecidas con probióticos en la reducción de incidencia de candidiasis oral asociada a estomatitis protésica, en adultos mayores portadores de prótesis removibles”. Materiales y métodos: Este estudio se realizó con 63 adultos mayores portadores de PR, pertenecientes a una institución de cuidados continuos y a la clínica de Prótesis Totales de la Facultad de Odontología, Universidad de Chile. Previa firma de consentimiento informado, a cada sujeto se le realizó una ficha clínica diseñada y validada para el estudio, tras lo cual fueron tomadas muestras de saliva no estimulada para su procesamiento y análisis. Las variables en estudio corresponden a Xerostomía, velocidad de flujo salival (VFS), pH, portación, recuento e identificación de Candida y recuento de Lactobacillus. Los datos se analizaron con los test X 2 , correlación lineal de Pearson, Test de Wilcoxon y Ttest, considerando un valor de p< 0,05. Resultados: De las características salivales analizadas, solo el pH exhibió diferencias estadísticas entre ambos grupos (p=0,0), no así Xerostomía y VFS. Adultos mayores con EP presentaron mayor portación y recuento de levaduras del género Candida (p=0,0), siendo C. albicans la especie más frecuentemente aislada en ambos grupos de estudio. En cuanto a los recuentos de Lactobacillus, estos fueron mayores en los sujetos sin EP (p=0,02). No hubo asociación entre los distintos parámetros salivales y recuentos de Candida o Lactobacillus. Conclusiones: Las características salivales carecen de un rol importante en la variación de los recuentos salivales de Candida y Lactobacillus en adultos mayores portadores de PR con y sin EP. Los recuentos elevados de C. albicans, representan un factor de riesgo para el desarrollo de la enfermedad en estudio, no así Xerostomía.

A escala mundial hay interés en la búsqueda de nuevos medicamentos antibacterianos para tratamientos de enfermedades infecciosas. Ante la comprobada resistencia y recurrencia de Candida albicans, Staphylococcus aureus y otras bacterias, se busca encontrar nuevos productos para el tratamiento contra estos microorganismos. El objetivo de este trabajo fue hallar la acción antifúngica del aceite de la cáscara de la nuez del Anacardium occidentale sobre Candida albicans y la actividad antibacteriana sobre Staphylococcus aureus por lo que se trabajó con cepas de la American Type Culture Collection y con cepas de pacientes portadores de VIH y de prótesis bucal. Se usó como control positivo a la Nistatina para C. albicans y Clorhexidina 2 % para S. aureus. Cada prueba se realizó por quintuplicado. Los resultados mostraron que el aceite del Anacardium occidentale no tiene actividad antifúngica, pero sí demostró tener gran actividad antibacteriana contra S. aureus, mucho mayor que la mostrada por la clorhexidina.

One of the major aims of this thesis was to identify novel regulators that drive C. albicans adaptation during growth under different nutrient and temperature conditions. The classical stress response cascades have been previously characterised under standardized, but physiologically irrelevant growth conditions (YPD at 30°C). In this study these pathways and other regulators were examined under more physiologically relevant inputs because metabolic plasticity and thermo-tolerance have been shown to affect stress adaptation (Arguelles et al., 1999; Brown et al., 2014; Cowen, 2009; Diezmann et al., 2014). In this study, we characterized 18.5% of the functional C. albicans ORFeome under 144 different stress conditions by employing a standardized system of robotic screening (Chapter 3). These screens highlighted extensive carbon and temperature-conditional regulators in C. albicans. We identified carbon-conditional contributions of the transcriptional regulators Sfp1 and Rtg3 to stress adaptation in this pathogenic fungus (Chapter 4). Sfp1 was found to regulate the expression of key stress regulators during growth on glucose, whereas Rtg3 induced the expression of these stress genes during growth on lactate. Our screens also revealed a distinct set of transcription factors, Hap43, Swi4, Sfp1, Cap1 and Zcf31, that control regulators of cell wall integrity and that promote antifungal drug resistance in a temperature dependent and yet Hsp90- independent manner. The screens also provided new information about a relatively obscure group of transcriptional regulators in C. albicans; the zinc cluster proteins with focus on Zcf3 and Zcf18 which we further pursued with RNA-sequencing to establish them as modulators of cell cycle, stress resistance and virulence in C. albicans. Lastly, our screens reveal a network of regulators that are homologous to human oncogenes and control fungal growth via modulation of TOR signaling. In conclusion, this thesis has revealed many novel targets for possible antifungal drug development and highlighted the extensive and intricate cross-talk between stress response modules facilitated by physiologically relevant nutrient sources and ambient temperatures.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Memoria para optar al Titulo Profesional de Médico Veterinario / Candida albicans es una levadura comensal que forma parte de la microbiota de las mucosas en el hombre, sin embargo es también un patógeno oportunista, responsable de infecciones invasoras, principalmente nosocomiales endógenas, las que presentan una alta morbiletalidad. Debido a que el estado sexual no es conocido en C. albicans, se espera que su estructura poblacional sea primariamente clonal, por esta razón un individuo puede portar clones de una cepa colonizante, en distintos lugares anatómicos, los que bajo ciertas condiciones, principalmente del hospedero, pueden producir infección. En Chile no existen estudios que revelen la relación de origen entre cepas colonizantes e infectantes, por lo tanto, resulta relevante profundizar el conocimiento sobre la epidemiología de la infección por C. albicans. El objetivo de este trabajo fue analizar genéticamente cepas patógenas de C. albicans, aisladas de hemocultivo, y cepas comensales provenientes de sitios colonizados de un mismo paciente con diagnóstico comprobado de candidemia, con el fin de determinar la relación de origen de estas cepas. Para esto, se analizaron molecularmente 35 cepas, identificadas previo al estudio como C. albicans, provenientes de ocho pacientes internados en Unidades de Pacientes Críticos del Hospital Clínico de la Universidad de Chile. De estas 35 cepas, cuatro se identificaron posteriormente como C. dubliniensis y provenían de un mismo paciente. Las cepas de C. albicans y C. dubliniensis fueron genotipificadas inicialmente mediante el método de Amplificación Aleatoria del ADN Polimórfico (RAPD), utilizando cinco partidores con actividad discriminatoria intraespecie. Se determinó el grado de similitud entre cepas mediante Coeficiente de Dice y se construyó un dendrograma, mediante el método UPGMA (Unweighted Pair Group Method Whit Arithmetic Averages). Los resultados mostraron que casi en la totalidad de los pacientes, los aislados propios de cada uno fueron agrupados en “cluster” únicos con una alta similitud genética (SAB ≥ 0.9), demostrando el origen clonal de los aislados y, en algunos casos, la existencia de fenómenos microevolutivos y reemplazo de cepas. 2 Posteriormente se analizaron las cepas de C. albicans a través de la Electroforesis en Gel con Gradiente Desnaturante (DGGE), mediante la amplificación de la porción final del 18S, el ITS1, el 5.8S y parte del ITS2 del ADN ribosomal. Los resultados del DGGE mostraron que las bandas pertenecientes a cada uno de los aislados en estudio migraron a la misma altura, sin conseguir evidenciar las diferencias genéticas existentes entre aislados de un mismo paciente y entre pacientes. El análisis estadístico, mediante el Test de McNemar, permitió establecer que el método de RAPD presenta un mayor rendimiento que el DGGE para la genotipificación de cepas de Candida spp. Finalmente, al comparar ambos métodos de genotipificación, sólo el RAPD pudo determinar que las cepas patógenas y comensales de C. albicans, provenientes de un mismo paciente con candidemia, están en su gran mayoría, relacionadas clonalmente.

Der Hefepilz Candida albicans ist ein harmloser Kommensale auf den Schleimhäuten des Gastrointestinal- und Urogenitaltrakts der meisten gesunden Menschen. Bei einer Störung der natürlichen Mikroflora oder des Wirtsimmunsystems kann der Pilz jedoch auch oberflächliche und sogar systemische Infektionen verursachen. C. albicans weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die zur Virulenz des Erregers beitragen. Dazu gehören die Adhärenz an unterschiedliche Wirtsoberflächen, die morphologische Variabilität des Pilzes und die Sekretion von Aspartatproteasen. Die Expression vieler dieser Virulenzfaktoren wird unter anderem durch die Verfügbarkeit von Stickstoff reguliert. Unter Stickstoffmangelbedingungen wechselt C. albicans vom Wachstum als sprossende Hefe zum filamentösen Wachstum, und dieser Wechsel wird durch die Ammoniumpermease Mep2p reguliert. Wie die Induktion des filamentösen Wachstums durch Mep2p kontrolliert wird, ist jedoch weitgehend unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Mutationsanalyse von Mep2p durchgeführt, um Aminosäuren zu identifizieren, die an der Signalfunktion dieser Permease beteiligt sind. Die C-terminale cytoplasmatische Domäne von Mep2p wird für den Ammoniumtransport nicht benötigt, ist jedoch essentiell für die Signaltransduktion. Progressive C-terminale Verkürzungen von Mep2p zeigten, dass ein MEP2DC433-Allel immer noch in der Lage war, das filamentöse Wachstum zu induzieren, wohingegen die Deletion einer weiteren Aminosäure die Morphogenese blockierte. Das Tyrosin an Position 433 (Y433) ist deshalb die letzte Aminosäure, die für die Signalfunktion von Mep2p essentiell ist. Um besser zu verstehen, wie die Signalaktivität von Mep2p durch die Verfügbarkeit und den Transport von Ammonium reguliert wird, wurden verschiedene hochkonservierte Aminosäuren mutiert, die vermutlich an der Bindung oder dem Transport von Ammonium in die Zelle beteiligt sind. Die Mutation von D180, von dem postuliert wurde, dass es den initialen Kontakt mit extrazellulärem Ammonium ermöglicht, oder der im Transportkanal lokalisierten Histidine H188 und H342 hatte zur Folge, dass Mep2p nicht mehr exprimiert wurde, so dass diese Aminosäuren vermutlich für die Proteinstabilität wichtig sind. Die Mutation von F239, das zusammen mit F126 eine extracytosolische Pforte zur Transportpore bildet, verhinderte trotz korrekter Membranlokalisation sowohl den Ammoniumtransport als auch das filamentöse Wachstum. Allerdings führte auch die Mutation von W167, das vermutlich zusammen mit Y122, F126 und S243 an der Rekrutierung des Ammoniumions an der extrazellulären Seite der Membran beteiligt ist, zur Blockierung des filamentösen Wachstums, obwohl der Ammoniumtransport kaum beeinflusst war. Dies zeigte, dass die intrazelluäre Signaltransduktion durch extrazelluläre Veränderungen in Mep2p beeinflusst werden kann. Die Mutation von Y122 reduzierte die Ammoniumaufnahme weitaus starker als die Mutation von W167, erlaubte jedoch immer noch ein effizientes filamentöses Wachstum. Die Signalaktivität von Mep2p ist deshalb offensichtlich nicht direkt mit der Transportaktivität des Proteins korreliert. Ein wichtiger Aspekt in der Fähigkeit von Mep2p, die Morphogenese zu stimulieren, ist die vergleichsweise starke Expression des Proteins. Um die Regulation der MEP2-Expression aufzuklären, wurden die cis-regulatorischen Sequenzen und die trans-aktivierenden Faktoren, die die MEP2-Induktion unter Stickstoffmangel vermitteln, identifiziert. Eine Promotoranalyse zeigte, dass zwei mutmaßliche Bindungsstellen für GATA-Transkriptionsfaktoren eine zentrale Rolle in der MEP2-Expression haben, da die Deletion oder Mutation dieser GATAA-Sequenzen die Expression von MEP2 stark reduzierte. Um die Rolle der GATA-Transkriptionsfaktoren Gln3p und Gat1p bei der Regulation der MEP2-Expression zu untersuchen, wurden Mutanten hergestellt, in denen die entsprechenden Gene deletiert waren. Die Expression von Mep2p war in gln3D und gat1D Einzelmutanten stark verringert und in gln3D gat1D Doppelmutanten nicht mehr nachweisbar. Die Deletion von GLN3 hatte auch eine starke Reduktion des filamentösen Wachstums zur Folge, die durch die konstitutive Expression von MEP2 unter Kontrolle des ADH1-Promotors aufgehoben wurde. Dagegen hatte die Deletion von GAT1 keinen Einfluss auf das filamentöse Wachstum. Überraschenderweise war das filamentöse Wachstum in den gat1D Mutanten teilweise unabhängig von Mep2p, was darauf hinwies, dass in Abwesenheit von GAT1 andere Signalwege aktiviert werden, die die Morphogenese stimulieren. Diese Ergebnisse zeigten, dass die GATA-Transkriptionsfaktoren Gln3p und Gat1p die Expression der Ammoniumpermease MEP2 kontrollieren und dass Gln3p auch ein wichtiger Regulator des durch Stickstoffmangel induzierten filamentösen Wachstums von C. albicans ist. Mutanten, in denen die beiden GATA-Transkriptionsfaktoren Gln3p und Gat1p fehlten, waren nicht mehr in der Lage, in einem Medium zu wachsen, das bovines Serumalbumin (BSA) als einzige Stickstoffquelle enthält. Die Fähigkeit von C. albicans, Proteine als einzige Stickstoffquelle zum Wachstum zu verwenden, wird durch die sekretierte Aspartatprotease Sap2p, die die Proteine zu Peptiden abbaut, und durch Oligopeptidtransporter, die diese Peptide in die Zelle aufnehmen, vermittelt. Der Wachstumsdefekt der gln3D gat1D Doppelmutanten war hauptsächlich durch einen Defekt in der SAP2-Expression verursacht, da die Expression von SAP2 unter Kontrolle des konstitutiven ADH1-Promotors die Fähigkeit zum Wachstum auf BSA wieder herstellte. Es zeigte sich, dass Gln3p und Gat1p die Expression des Transkriptionsfaktors STP1, der für die Induktion von SAP2 in Gegenwart von Proteinen notwendig ist, regulieren. Bei einer Expression von STP1 unter Kontrolle des induzierbaren Tet-Promotors waren Gln3p und Gat1p nicht mehr notwendig für das Wachstum auf Proteinen. Wenn bevorzugte Stickstoffquellen verfügbar sind, wird SAP2 auch in Gegenwart von Proteinen reprimiert, und diese Stickstoff-Katabolitrepression korrelierte mit einer reduzierten STP1-Expression. Die Expression von STP1 unter Kontrolle des Tet-Promotors hob diese Repression auf, was zeigte, dass die Regulation der STP1-Expression durch die GATA-Transkriptionsfaktoren eine Schlüsselrolle sowohl bei der positiven als auch bei der negativen Kontrolle der SAP2-Expression spielt. Eine regulatorische Kaskade, in der die Expression des spezifischen Transkriptionsfaktors Stp1p durch die allgemeinen Regulatoren Gln3p und Gat1p kontrolliert wird, stellt die Expression von SAP2 in C. albicans deshalb unter Stickstoffkontrolle und gewährleistet eine angepasste Expression dieses Virulenzfaktors. Die Ergebnisse dieser Arbeit illustrieren, dass die GATA-Faktoren Gln3p und Gat1p zum Teil überlappende aber auch spezifische Funktionen in der Anpassung von C. albicans an die Verfügbarkeit verschiedener Stickstoffquellen haben. Diese Anpassungsmechanismen spielen auch eine Rolle in der Pathogenität des Pilzes, wobei die relative Bedeutung von Gln3p und Gat1p vom Zielgen und der Stickstoffquelle abhängt. Diese Erkenntnisse geben einen vertieften Eiblick in die molekularen Grundlagen der Anpassung von C. albicans an unterschiedliche Umweltbedingungen. / The yeast Candida albicans is a member of the normal microflora on the mucosal surfaces of the gastrointestinal and urogenital tract in healthy persons. However, it is an opportunistic pathogen that can cause a range of infections from superficial to disseminated, in response to perturbation of the normal microflora or alterations in the host immunity. C. albicans exhibits a variety of characteristics such as adhesion, morphogenetic switching and secreted aspartic protease production that contribute to its virulence. Expression of many of these virulence factors is controlled by the availability of essential element, nitrogen. C. albicans undergoes morphogenetic transition to form filaments under nitrogen starvation conditions and this switch is controlled by the ammonium permease Mep2p. However, little is known about how this signaling function of Mep2p is regulated. Mutational analysis of Mep2p was carried out to identify the residues that confer signaling activity to this permease. The C-terminal cytoplasmic tail of Mep2p contains a signaling domain that is dispensable for ammonium transport but essential for the signaling activity of Mep2p. In this work, progressive C-terminal truncations analysis demonstrated that a MEP2DC433 allele was still able to induce filamentation while nitrogen starvation-induced filamentous growth was abolished in cells expressing a MEP2DC432 allele. Therefore, tyrosine at position 433 (Y433) is the last amino acid in Mep2p that is essential for signaling. To gain insights into how the signaling activity of Mep2p is regulated by ammonium availability and transport, conserved residues that have been implicated in ammonium binding or uptake were mutated. Mutation of D180, which has been proposed to mediate initial contact with extracellular ammonium, or the pore-lining residues H188 and H342 abolished Mep2p expression, indicating that these residues are important for protein stability. Mutation of F239, which together with F126 is predicted to form an extracytosolic gate to the conductance channel, abolished both ammonium uptake and Mep2p-dependent filamentation, despite proper localization of the protein. On the other hand, mutation of W167, which is assumed to participate along with Y122, F126, and S243 in the recruitment and coordination of the ammonium ion at the extracytosolic side of the cell membrane, also abolished filamentation without having a strong impact on ammonium transport, demonstrating that extracellular alterations in Mep2p can affect intracellular signaling. Mutation of Y122 reduced ammonium uptake much more strongly than mutation of W167 but still allowed efficient filamentation, indicating that the signaling activity of Mep2p is not directly correlated with its transport activity. An important aspect in the ability of Mep2p to stimulate filamentation in response to nitrogen limitation is its high expression levels. The cis-acting sequences and trans-acting regulators that mediate MEP2 induction in response to nitrogen limitation were identified. Promoter analysis revealed that two putative binding sites for GATA transcription factors have a central role in MEP2 expression, as deletion of the region containing these sites or mutation of the GATAA sequences in the full-length MEP2 promoter strongly reduced MEP2 expression. To elucidate the roles of the GATA transcription factors GLN3 and GAT1 in regulating MEP2 expression, mutants lacking one or both of these transcription factors were constructed. Mep2p expression was strongly reduced in gln3D and gat1D single mutants and virtually abolished in gln3D gat1D double mutants. Deletion of GLN3 strongly inhibited filamentous growth under limiting nitrogen conditions, which could be rescued by constitutive expression of MEP2 from the ADH1 promoter. In contrast, inactivation of GAT1 had no effect on filamentation. Surprisingly, filamentation became partially independent of the presence of a functional MEP2 gene in the gat1D mutants, indicating that the loss of GAT1 function results in the activation of other pathways that induce filamentous growth. These findings demonstrated that the GATA transcription factors Gln3p and Gat1p control expression of the MEP2 ammonium permease and that GLN3 is also an important regulator of nitrogen starvation-induced filamentous growth in C. albicans. C. albicans mutants lacking both the GATA transcription factors Gln3p and Gat1p were unable to grow in a medium containing an alternative nitrogen source, bovine serum albumin (BSA) as the sole nitrogen source. The ability to utilize proteins as sole source of nitrogen for growth of C. albicans is conferred by the secreted aspartic protease Sap2p, which degrades the proteins, and oligopeptide transporters that mediate uptake of the proteolytic products into cell. The growth defect of gln3D gat1D mutants was mainly caused by their inability to express the SAP2 gene, as SAP2 expression from the constitutive ADH1 promoter restored the ability of the mutants to grow on BSA. Expression of STP1, which encodes a transcription factor that is required for SAP2 induction in the presence of proteins, was regulated by Gln3p and Gat1p. Forced expression of STP1 from a tetracycline-inducible promoter bypassed the requirement of the GATA transcription factors for growth of C. albicans on proteins. When preferred nitrogen sources are available, SAP2 is repressed and this nitrogen catabolite repression of SAP2 was correlated with downregulation of STP1 under these conditions. Tetracycline-induced STP1 expression abolished nitrogen catabolite repression of SAP2, demonstrating that regulation of STP1 expression levels by the GATA transcription factors is a key aspect of both positive and negative regulation of SAP2 expression. Therefore, by using a regulatory cascade in which expression of the specific transcription factor Stp1p is controlled by the general regulators Gln3p and Gat1p, C. albicans places SAP2 expression under nitrogen control and ensures proper expression of this virulence determinant. In summary, the present study illustrated how GATA factors, Gln3p and Gat1p, play partially overlapping, but distinct roles, in mediating the appropriate responses of C. albicans to the availability of different nitrogen sources. These responses are also determinants of pathogenicity of the fungus. The relative contributions of Gln3p and Gat1p vary with their target genes and the availability of nitrogen source. Overall, these findings provide us with a better understanding of the molecular basis of some of the important processes that help in adaptation of C. albicans to various environmental conditions. The yeast Candida albicans is a member of the normal microflora on the mucosal surfaces of the gastrointestinal and urogenital tract in healthy persons. However, it is an opportunistic pathogen that can cause a range of infections from superficial to disseminated, in response to perturbation of the normal microflora or alterations in the host immunity. C. albicans exhibits a variety of characteristics such as adhesion, morphogenetic switching and secreted aspartic protease production that contribute to its virulence. Expression of many of these virulence factors is controlled by the availability of essential element, nitrogen. C. albicans undergoes morphogenetic transition to form filaments under nitrogen starvation conditions and this switch is controlled by the ammonium permease Mep2p. However, little is known about how this signaling function of Mep2p is regulated. Mutational analysis of Mep2p was carried out to identify the residues that confer signaling activity to this permease. The C-terminal cytoplasmic tail of Mep2p contains a signaling domain that is dispensable for ammonium transport but essential for the signaling activity of Mep2p. In this work, progressive C-terminal truncations analysis demonstrated that a MEP2DC433 allele was still able to induce filamentation while nitrogen starvation-induced filamentous growth was abolished in cells expressing a MEP2DC432 allele. Therefore, tyrosine at position 433 (Y433) is the last amino acid in Mep2p that is essential for signaling. To gain insights into how the signaling activity of Mep2p is regulated by ammonium availability and transport, conserved residues that have been implicated in ammonium binding or uptake were mutated. Mutation of D180, which has been proposed to mediate initial contact with extracellular ammonium, or the pore-lining residues H188 and H342 abolished Mep2p expression, indicating that these residues are important for protein stability. Mutation of F239, which together with F126 is predicted to form an extracytosolic gate to the conductance channel, abolished both ammonium uptake and Mep2p-dependent filamentation, despite proper localization of the protein. On the other hand, mutation of W167, which is assumed to participate along with Y122, F126, and S243 in the recruitment and coordination of the ammonium ion at the extracytosolic side of the cell membrane, also abolished filamentation without having a strong impact on ammonium transport, demonstrating that extracellular alterations in Mep2p can affect intracellular signaling. Mutation of Y122 reduced ammonium uptake much more strongly than mutation of W167 but still allowed efficient filamentation, indicating that the signaling activity of Mep2p is not directly correlated with its transport activity. An important aspect in the ability of Mep2p to stimulate filamentation in response to nitrogen limitation is its high expression levels. The cis-acting sequences and trans-acting regulators that mediate MEP2 induction in response to nitrogen limitation were identified. Promoter analysis revealed that two putative binding sites for GATA transcription factors have a central role in MEP2 expression, as deletion of the region containing these sites or mutation of the GATAA sequences in the full-length MEP2 promoter strongly reduced MEP2 expression. To elucidate the roles of the GATA transcription factors GLN3 and GAT1 in regulating MEP2 expression, mutants lacking one or both of these transcription factors were constructed. Mep2p expression was strongly reduced in gln3D and gat1D single mutants and virtually abolished in gln3D gat1D double mutants. Deletion of GLN3 strongly inhibited filamentous growth under limiting nitrogen conditions, which could be rescued by constitutive expression of MEP2 from the ADH1 promoter. In contrast, inactivation of GAT1 had no effect on filamentation. Surprisingly, filamentation became partially independent of the presence of a functional MEP2 gene in the gat1D mutants, indicating that the loss of GAT1 function results in the activation of other pathways that induce filamentous growth. These findings demonstrated that the GATA transcription factors Gln3p and Gat1p control expression of the MEP2 ammonium permease and that GLN3 is also an important regulator of nitrogen starvation-induced filamentous growth in C. albicans. C. albicans mutants lacking both the GATA transcription factors Gln3p and Gat1p were unable to grow in a medium containing an alternative nitrogen source, bovine serum albumin (BSA) as the sole nitrogen source. The ability to utilize proteins as sole source of nitrogen for growth of C. albicans is conferred by the secreted aspartic protease Sap2p, which degrades the proteins, and oligopeptide transporters that mediate uptake of the proteolytic products into cell. The growth defect of gln3D gat1D mutants was mainly caused by their inability to express the SAP2 gene, as SAP2 expression from the constitutive ADH1 promoter restored the ability of the mutants to grow on BSA. Expression of STP1, which encodes a transcription factor that is required for SAP2 induction in the presence of proteins, was regulated by Gln3p and Gat1p. Forced expression of STP1 from a tetracycline-inducible promoter bypassed the requirement of the GATA transcription factors for growth of C. albicans on proteins. When preferred nitrogen sources are available, SAP2 is repressed and this nitrogen catabolite repression of SAP2 was correlated with downregulation of STP1 under these conditions. Tetracycline-induced STP1 expression abolished nitrogen catabolite repression of SAP2, demonstrating that regulation of STP1 expression levels by the GATA transcription factors is a key aspect of both positive and negative regulation of SAP2 expression. Therefore, by using a regulatory cascade in which expression of the specific transcription factor Stp1p is controlled by the general regulators Gln3p and Gat1p, C. albicans places SAP2 expression under nitrogen control and ensures proper expression of this virulence determinant. In summary, the present study illustrated how GATA factors, Gln3p and Gat1p, play partially overlapping, but distinct roles, in mediating the appropriate responses of C. albicans to the availability of different nitrogen sources. These responses are also determinants of pathogenicity of the fungus. The relative contributions of Gln3p and Gat1p vary with their target genes and the availability of nitrogen source. Overall, these findings provide us with a better understanding of the molecular basis of some of the important processes that help in adaptation of C. albicans to various environmental conditions.

1. Zusammenfassung Candida albicans ist ein opportunistisch pathogener Hefepilz, der sowohl oberflächliche Infektionen der Schleimhaut als auch lebensbedrohliche systemische Infektionen hervorrufen kann. Obwohl die Fähigkeit von C.albicans Infektionen auszulösen weitgehend vom Immunstatus des Wirts abhängt, besitzt der Pilz doch auch spezifische Eigenschaften, die eine Kolonisierung, Disseminierung und Anpassung an unterschiedliche Wirtsnischen ermöglichen und ihn vom harmlosen Kommensalen zum gefährlichen Krankheitsserreger werden lassen. Unter bestimmten Umweltbedingungen geht C.albicans vom Wachstum als sprossende Hefe zum invasiven, filamentösen Wachstum über, das eine wichtige Rolle in der Pathogenität des Pilzes spielt. Stickstoffmangel ist eines der Signale, die das filamentöse Wachstum in C.albicans induzieren, und die Kontrolle der Morphogenese durch die Verfügbarkeit von Stickstoff wurde in dieser Arbeit detailliert untersucht. Ammonium ist für Hefepilze eine bevorzugte Stickstoffquelle, die über spezifische Transporter in die Zelle aufgenommen wird. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass C.albicans zwei Ammoniumpermeasen besitzt, deren Expression durch Stickstoffmangel induziert wird. Während die Deletion von CaMEP1 oder CaMEP2 keinen Einfluss auf das Wachstum bei limitierenden Ammoniumkonzentrationen hatte, konnten &#61508;mep1 &#61508;mep2 Doppelmutanten bei Ammoniumkonzentrationen unter 5 mM nicht mehr wachsen. Im Gegensatz zu &#61508;mep1 Mutanten bildeten &#61508;mep2 Mutanten unter Stickstoffmangel keine Hyphen mehr und wuchsen ausschließlich in der Hefeform. CaMep2p hat also nicht nur eine Funktion als Ammoniumtransporter, sondern spielt auch eine Rolle bei der Induktion des filamentösen Wachstums. Weitere Experimente zeigten, dass CaMep2p ein weniger effizienter Ammoniumtransporter als CaMep1p ist, dafür aber stärker exprimiert wird, und dass dieser Unterschied wichtig für die Signalfunktion von CaMep2p ist. Durch Deletionsanalysen konnte bewiesen werden, dass die C-terminale, cytoplasmatische Domäne von CaMep2p essentiell für die Induktion des Hyphenwachstums ist, für den Ammoniumtransport jedoch nicht benötigt wird, und diese beiden Funktionen von CaMep2p daher voneinander getrennt werden können. In C.albicans gibt es mindestens zwei Signalwege die das filamentöse Wachstum steuern, eine MAP-Kinase-Kaskade und einen cAMP-abhängigen Signalweg, die in den Transkriptionsfaktoren Cph1p bzw. Efg1p enden. Bei Inaktivierung des einen oder des anderen Signalwegs induziert Stickstoffmangel kein filamentöses Wachstum mehr. Ein hyperaktives CaMEP2 Allel konnte den filamentösen Wachstumsdefekt sowohl von &#61508;cph1 als auch &#61508;efg1 Mutanten aufheben, nicht jedoch den einer &#61508;cph1 &#61508;efg1 Doppelmutante oder einer Mutante, der das G-Protein Ras1p fehlte, das beide Signalwege aktiviert. Umgekehrt wurde der filamentöse Wachstumsdefekt von &#61472;&#61508;mep2 Mutanten durch ein dominant-aktives RAS1 Allel bzw. durch die Zugabe von cAMP aufgehoben. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass CaMep2p bei Stickstoffmangel sowohl den MAP-Kinase- als auch den cAMP-abhängigen Signalweg aktiviert, um filamentöses Wachstum zu induzieren. In genügend hohen Konzentrationen reprimierte Ammonium das filamentöse Wachstum selbst wenn die Signalwege artifiziell aktiviert waren. Die bevorzugte Stickstoffquelle Ammonium ist deshalb ein Inhibitor der Morphogenese, der durch denselben Transporter in die Zelle aufgenommen wird, der bei Stickstoffmangel das filamentöse Wachstum von C.albicans induziert. Obwohl ein genaues Verständnis der Virulenzmechanismen von C.albicans auch neue Ansätze zur Bekämpfung von Infektionen durch diesen Pilz liefern kann, ist doch die Identifizierung und Charakterisierung von essentiellen Genen als potentielle Ziele für die Entwicklung neuer Antimykotika eine Strategie, die von der pharmazeutischen Industrie favorisiert wird. Aus diesem Grund wurden in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner drei Gene von C.albicans ausgewählt, die in anderen Pilzen als essentiell beschrieben wurden, und im Rahmen dieser Arbeit funktionell charakterisiert. RAP1 codiert für das Repressor/Aktivator Protein 1, ein Transkriptionsfaktor und Telomerbindeprotein, das in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae essentiell ist. Die Deletion des RAP1 Gens in C.albicans beeinträchtigte jedoch nicht die Lebensfähigkeit der Mutanten, so dass RAP1 kein vielversprechendes Ziel darstellt. CBF1 (centromere binding factor 1) ist in S.cerevisiae wichtig für die korrekte Chromosomenverteilung während der Mitose und außerdem auch für die transkriptionelle Aktivierung der Methioninbiosynthesegene; in den verwandten Hefen Kluyveromyces lactis und Candida glabrata ist CBF1 sogar essentiell. C.albicans &#61508;cbf1 Mutanten wiesen jedoch keinen erhöhten Chromosomenverlust auf, so dass CBF1 hier offensichtlich keine Rolle bei der Chromosomensegregation spielt. Allerdings waren die Mutanten auxotroph für schwefelhaltige Aminosäuren und generell stark im Wachstum beeinträchtigt, was zeigte, dass Cbf1p für das normale Wachstum von C.albicans wichtig ist. YIL19 ist in S.cerevisiae ein essentielles Gen und hat eine Funktion bei der Reifung der 18S rRNA. YIL19 stellte sich auch in C.albicans als essentiell heraus. Konditionale Mutanten, in denen YIL19 durch induzierbare, FLP-vermittelte Rekombination aus dem Genom deletiert wurde, waren nicht lebensfähig und akkumulierten rRNA Vorstufen. Durch diese Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass YIL19 essentiell für diesen wichtigen zellulären Prozess und für die Lebensfähigkeit von C.albicans ist und sich möglicherweise als Ziel für die Entwicklung antifungaler Substanzen eignet. / 1. Summary Candida albicans is an opportunistic human fungal pathogen that causes a variety of infections, ranging from superficial mucosal to deep-seated systemic infections, especially in immunocompromised patients. Although the ability of C.albicans to cause disease largely depends on the immune status of the host, the fungus also exhibits specific characteristics that facilitate colonization, dissemination, and adaptation to different host niches and thereby turn C.albicans from a harmless commensal to an aggressive pathogen. In response to various environmental stimuli C.albicans switches from growth as a budding yeast to invasive filamentous growth, and this morphogenetic switch plays an important role in C.albicans pathogenesis. Nitrogen limitation is one of the signals that induce filamentous growth in C.albicans, and the control of the morphogenetic transition by nitrogen availability was studied in detail in the present work. Ammonium is a preferred nitrogen source for yeasts that is taken up into the cells by specific transporters. It was found in this study that C.albicans possesses two major ammonium transporters, encoded by the CaMEP1 and CaMEP2 genes, expression of which is induced by nitrogen starvation. Whereas &#61508;mep1 or &#61508;mep2 single mutants grew as well as the wild-type strain on limiting concentrations of ammonium, deletion of both transporters rendered C.albicans unable to grow at ammonium concentrations below 5 mM. In contrast to &#61508;mep1 mutants, &#61508;mep2 mutants failed to filament and grew only in the yeast form under nitrogen starvation conditions, indicating that in addition to its role as an ammonium transporter CaMep2p also has a signaling function in the induction of filamentous growth. CaMep2p was found to be a less efficient ammonium transporter than CaMep1p and to be expressed at much higher levels, a distinguishing feature important for its signaling function. By the construction and analysis of serially truncated versions of CaMep2p, the C-terminal cytoplasmic tail of the protein was shown to be essential for signaling but dispensable for ammonium transport, demonstrating that these two functions of CaMep2p are separable. In C.albicans at least two signal transduction pathways, a MAP kinase cascade and a cAMP-dependent pathway ending in the transcriptional regulators Cph1p and Efg1p, respectively, control filamentous growth, and mutants defective in either one of these pathways are defective for filamentation under nitrogen starvation conditions. A hyperactive CaMEP2 allele rescued the filamentation defect of a &#61508;cph1 or a &#61508;efg1 mutant, but not of a &#61508;cph1 &#61508;efg1 double mutant or a mutant deleted for RAS1, which acts upstream of and activates both signaling pathways. Conversely, a dominant active RAS1 allele or addition of exogenous cAMP rescued the filamentation defect of &#61472;&#61508;mep2 mutants. These results suggest that CaMep2p activates both the MAP kinase and the cAMP pathway in a Ras1p dependent manner to promote filamentous growth under nitrogen starvation conditions. At sufficiently high concentrations, ammonium repressed filamentous growth even when the signaling pathways were artificially activated. Therefore, C.albicans has established a regulatory circuit in which a preferred nitrogen source, ammonium, serves as an inhibitor of morphogenesis that is taken up into the cell by the same transporter that induces filamentous growth in response to nitrogen starvation. Although a detailed understanding of virulence mechanisms of C.albicans may ultimately lead to novel approaches to combat infections caused by this pathogen, the identification and characterization of essential genes as potential targets for the development of antifungal drugs is a strategy favoured by most pharmaceutical companies. Therefore, C.albicans homologs of three genes that are essential in other fungi were selected in collaboration with an industrial partner and functionally characterized in this work. RAP1 encodes the repressor/activator protein 1, a transcription factor and telomere binding protein that is essential for viability in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. However, deletion of the C.albicans RAP1 homolog did not affect viability or growth of the mutants, suggesting that it is not a promising target. CBF1 (centromere binding factor 1) is necessary for proper chromosome segregation and transcriptional activation of methionine biosynthesis genes in S.cerevisiae and is essential for viability in the related yeasts Kluyveromyces lactis and Candida glabrata. Deletion of CBF1 in C.albicans did not result in an increased frequency of chromosome loss, indicating that it has no role in chromosome segregation in this organism. However, the C.albicans &#61508;cbf1 mutants exhibited severe growth impairment, temperature sensitivity at 42°C, and auxotrophy for sulphur amino acids, suggesting that Cbf1p is a transcription factor that is important for normal growth of C.albicans. YIL19 is an essential gene in S.cerevisiae that is involved in 18S rRNA maturation. YIL19 was found to be an essential gene also in C.albicans. Conditional mutants in which the YIL19 gene could be excised from the genome by inducible, FLP-mediated recombination were non-viable and accumulated rRNA precursors, demonstrating that YIL19 is essential for this important cellular process and for viability of C.albicans and could serve as a target for the development of antifungal drugs.