The impact of nitrogen limitation on virulence and the quorum sensing response in Cryptococcus neoformans
Date
2020-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Cryptococcus neoformans may cause life-threatening meningitis in immune-compromised
populations, with high mortality rates despite measures currently put in place to treat infections.
It is, therefore, critical that new and effective anticryptococcal drugs and treatment
strategies are developed. Using an antipathogenic approach, which does not directly kill the yeast
but rather targets key virulence factors or quorum sensing (QS), is a promising, novel strategy.
However, the regulation of cryptococcal QS, and how this process influences virulence
factor expression, has not been characterised. In particular, the dynamics of these
processes under nitrogen-limiting conditions, which the pathogen experiences in its natural
environment and during host infection, has not been defined. This study aimed to characterise the
expression of cryptococcal virulence factors during nitrogen limitation (NL) and whether this was
being influenced by QS. Furthermore, this study aimed to engineer a C. neoformans QS biosensor to
monitor QS responses during NL and to screen for potential compounds that could interfere with
cryptococcal QS.
After growth in nitrogen-limiting conditions relevant to the Cryptococcus natural
niche,
C. neoformans H99 displayed a thicker polysaccharide capsule, as well as higher urease
and laccase activities. Melanisation and capsule thickness were specifically increased during both
NL and temperature stress. Ergosterol biosynthesis also appeared to be induced during NL
and temperature stress. A C. neoformans CK0289 QS mutant also expressed thicker capsules
and increased urease activity during NL. However, capsule thickness, together with melanisation
and ergosterol biosynthesis, were expressed notably weaker than C. neoformans H99. This suggests
that NL does influence the virulence phenotype, but that QS may be required to signal for increased
virulence factor and cell membrane ergosterol production during NL.
Garlic-derived organosulfides and synthetic derivatives thereof were selected as compounds
to screen for potential anti-QS activity against C. neoformans. The natural
organosulfides showed potent antifungal activity and affected the expression of C.
neoformans virulence factors. Specifically, capsule thickness was reduced and melanisation
completely inhibited. Despite having no inhibitory effect on urease activity or ergosterol
biosynthesis, these compounds still serve as possible candidates for the development of
antipathogenic drugs against C. neoformans. To determine whether these compounds have quorum
quenching activity, a biosensor responsive to cryptococcal QS and able to monitor changes in this
process was designed. Although the biosensor was successfully constructed in Saccharomyces
cerevisiae, no signal could be detected.
This study has demonstrated that NL is an important signal that influences the
virulence of
C. neoformans, and that this relationship is potentially affected by QS. Further research is needed
to comprehensively characterise this phenomenon as this would provide valuable
information in
understanding the physiology and pathogenicity of C. neoformans.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Ondanks maatreëls tans in plek om infeksies te behandel kan Cryptococcus neoformans lewensgevaarlike meningitis in immuun-gekompromitteerde populasies veroorsaak met hoë sterftesyfers. Daarom is dit krities om nuwe en effektiewe antikriptokokkale middels en behandelingstrategieë te ontwikkel. ‘n Belowende en ongewone strategie is die antipatogeniese benadering wat sleutel virulensie faktore of kworumwaarneming (KW) eerder as direkte gisdoding teiken. Die regulering van kriptokokkale KW en hoe die proses die uitdrukking van virulensie faktor affekteer is egter nog onbekend. Die dinamika tussen die prosesse onder stikstofbeperkende kondisies, soos wat die patogeen in sy natuurlike omgewing en tydens gasheerinfeksie ondervind, is veral nog nie omskryf nie. Hierdie studie stel ten doel om die uitdrukking van kriptokokkale virulensie faktore tydens stikstofbeperking (SB) te karakteriseer en die rol wat KW speel te ondersoek. Die studie beoog verder ook om ‘n C. neoformans KW biosensor te ontwikkel om KW reaksies tydens SB te kan meet en die indentifisering van potensiële kriptokokkale KW inmenging verbindings moontlik te maak. Tydens groei onder stikstofbeperkende kondisies, wat die natuurlike nis van Cryptococcus emuleer, vertoon C. neoformans H99 ‘n vergrote polisakkariedkapsule, asook hoër urease en lakkase ensiemaktiwiteit. Melanienvorming en kapsulegrootte word veral verhoog tydens beide SB en temperatuurstres. Ergosterolbiosintese word ook spesifiek geïnduseer tydens SB en temperatuurstres. Vergrote kapsule en verhoogte urease aktiwiteit word ook onder SB kondisies deur die C. neoformans CK0289 KW mutant vertoon, maar kapsulegrootte, melanienvorming en ergosterolbiosintese word beduidend swakker in vergelyking met C. neoformans H99 uitgedruk. Die resultate dui daarop dat SB die virulensie fenotiepe beïnvloed, en dat KW die nodige sein vir verhoogte virulensie faktore en selmembraan ergosterol produksie tydens SB verskaf. Knoffel-organosulfide en sintetiese derivate is geselekteer om vir potensiele anti-KW verbindings teen C. neoformans te sif. Die natuurlike organosulfide het kragtige swamdodende aktiwiteit vertoon en het die uitdrukking van C. neoformans virulensie fakore beïnvloed. Kapsulegrootte is spesifiek verlaag en melanienvorming volledig geïnhibeer. Hierdie verbindings dien steeds as moontlike antipatogeniese kandidaatmiddels teen C. neoformans, ten spyte van die afwesigheid van urease ensiemaktiwiteit en ergosterolbiosintese onderdrukking. ʼn Kriptokokkale KW-sensitiewe biosensor om die kworumsmorings aktiwiteit van die verbindings asook verandering in die KW proses te bepaal is ontwerp. Alhoewel die biosensor suksesvol in Saccharomyces cerevisiae gebou is, kon geen sein waargeneem word nie. Die studie demonstreer die belangrike rol van SB op C. neoformans virulensie faktore, en dat KW hierdie verhouding affekteer. Verdere navorsing word benodig om die fenomeen volledig te karakteriseer, om waardevolle inligting en ʼn dieper verstaan van die fisiologie en patogenisiteit van C. neoformans te bevorder.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Ondanks maatreëls tans in plek om infeksies te behandel kan Cryptococcus neoformans lewensgevaarlike meningitis in immuun-gekompromitteerde populasies veroorsaak met hoë sterftesyfers. Daarom is dit krities om nuwe en effektiewe antikriptokokkale middels en behandelingstrategieë te ontwikkel. ‘n Belowende en ongewone strategie is die antipatogeniese benadering wat sleutel virulensie faktore of kworumwaarneming (KW) eerder as direkte gisdoding teiken. Die regulering van kriptokokkale KW en hoe die proses die uitdrukking van virulensie faktor affekteer is egter nog onbekend. Die dinamika tussen die prosesse onder stikstofbeperkende kondisies, soos wat die patogeen in sy natuurlike omgewing en tydens gasheerinfeksie ondervind, is veral nog nie omskryf nie. Hierdie studie stel ten doel om die uitdrukking van kriptokokkale virulensie faktore tydens stikstofbeperking (SB) te karakteriseer en die rol wat KW speel te ondersoek. Die studie beoog verder ook om ‘n C. neoformans KW biosensor te ontwikkel om KW reaksies tydens SB te kan meet en die indentifisering van potensiële kriptokokkale KW inmenging verbindings moontlik te maak. Tydens groei onder stikstofbeperkende kondisies, wat die natuurlike nis van Cryptococcus emuleer, vertoon C. neoformans H99 ‘n vergrote polisakkariedkapsule, asook hoër urease en lakkase ensiemaktiwiteit. Melanienvorming en kapsulegrootte word veral verhoog tydens beide SB en temperatuurstres. Ergosterolbiosintese word ook spesifiek geïnduseer tydens SB en temperatuurstres. Vergrote kapsule en verhoogte urease aktiwiteit word ook onder SB kondisies deur die C. neoformans CK0289 KW mutant vertoon, maar kapsulegrootte, melanienvorming en ergosterolbiosintese word beduidend swakker in vergelyking met C. neoformans H99 uitgedruk. Die resultate dui daarop dat SB die virulensie fenotiepe beïnvloed, en dat KW die nodige sein vir verhoogte virulensie faktore en selmembraan ergosterol produksie tydens SB verskaf. Knoffel-organosulfide en sintetiese derivate is geselekteer om vir potensiele anti-KW verbindings teen C. neoformans te sif. Die natuurlike organosulfide het kragtige swamdodende aktiwiteit vertoon en het die uitdrukking van C. neoformans virulensie fakore beïnvloed. Kapsulegrootte is spesifiek verlaag en melanienvorming volledig geïnhibeer. Hierdie verbindings dien steeds as moontlike antipatogeniese kandidaatmiddels teen C. neoformans, ten spyte van die afwesigheid van urease ensiemaktiwiteit en ergosterolbiosintese onderdrukking. ʼn Kriptokokkale KW-sensitiewe biosensor om die kworumsmorings aktiwiteit van die verbindings asook verandering in die KW proses te bepaal is ontwerp. Alhoewel die biosensor suksesvol in Saccharomyces cerevisiae gebou is, kon geen sein waargeneem word nie. Die studie demonstreer die belangrike rol van SB op C. neoformans virulensie faktore, en dat KW hierdie verhouding affekteer. Verdere navorsing word benodig om die fenomeen volledig te karakteriseer, om waardevolle inligting en ʼn dieper verstaan van die fisiologie en patogenisiteit van C. neoformans te bevorder.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Cryptococcus neoformans, Nitrogen limitation, Virulence, Quorum sensing (Microbiology), Cryptococcus -- Effect of environment on, UCTD