Published December 20, 2022 | Version v1
Publication Metadata-only

Directed Evolution Detects Supernumerary Centric Chromosomes Conferring Resistance to Azoles in Candida auris

Creators

  • 1. Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research
  • 2. Amity University
  • 3. Post Graduate Institute of Medical Education and Research
  • 4. Osaka University

Description

Candida auris exhibits resistance to multiple antifungal drug classes and sterilization agents, posing threats to the immunocompromised worldwide. Among the four major geographical clades, the East Asian clade 2 isolates of C. auris are mostly drug susceptible. In this study, we experimentally evolved one such drug-susceptible isolate for multiple generations in the presence of the antifungal compound fluconazole and analyzed changes in the karyotype, DNA sequence, and gene expression profiles in three evolved drug-resistant isolates. Next-generation sequencing and electrophoretic karyotyping confirm the presence of segmental aneuploidy as supernumerary chromosomes originating from centromere-inclusive chromosomal duplication events in two such cases. A 638-kb region and a 675-kb region, both of which originated from chromosome 5 and contained its centromere region, are instances of supernumerary chromosome formation identified in two evolved fluconazole-resistant isolates. Loss of the supernumerary chromosomes from the drug-resistant isolates results in a complete reversal of fluconazole susceptibility. Transcriptome analysis of the third isolate identified overexpression of drug efflux pumps as a possible non-aneuploidy-driven mechanism of drug resistance. Together, this study reveals how both aneuploidy-driven and aneuploidy-independent mechanisms may operate in parallel in an evolving population of C. auris in the presence of an antifungal drug, in spite of starting from the same strain grown under similar conditions, to attain various levels of fluconazole resistance. IMPORTANCE Fungal pathogens develop drug resistance through multiple pathways by acquiring gene mutations, increasing the copy number of genes, or altering gene expression. In this study, we attempt to understand the mechanisms of drug resistance in the recently emerged superbug, C. auris. One approach to studying this aspect is identifying various mechanisms operating in drug-resistant clinical isolates. An alternative approach is to evolve a drug-susceptible isolate in the presence of an antifungal compound and trace the changes that result in drug resistance. Here, we evolve a drug-susceptible isolate of C. auris in the laboratory in the presence of a widely used antifungal compound, fluconazole. In addition to the already known changes like overexpression of drug efflux pumps, this study identifies a novel mechanism of azole resistance by the emergence of additional chromosomes through segmental duplication of chromosomal regions, including centromeres. The centric supernumerary chromosome helps stable amplification of a set of genes with an extra copy to confer fluconazole resistance.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تظهر المبيضات أوريس مقاومة لفئات متعددة من الأدوية المضادة للفطريات وعوامل التعقيم، مما يشكل تهديدات للمصابين بنقص المناعة في جميع أنحاء العالم. من بين الفروع الجغرافية الرئيسية الأربعة، فإن الفروع 2 في شرق آسيا من C. أوريس هي في الغالب عرضة للأدوية. في هذه الدراسة، قمنا بتجربة واحدة من هذه العزلات الحساسة للأدوية لعدة أجيال في وجود مركب فلوكونازول المضاد للفطريات وتحليل التغيرات في النمط النووي وتسلسل الحمض النووي وملامح التعبير الجيني في ثلاث عزلات متطورة مقاومة للأدوية. يؤكد تسلسل الجيل التالي والتنميط النووي الكهربي وجود اختلال الصيغة الصبغية القطاعي ككروموسومات زائدة ناشئة عن أحداث ازدواجية الكروموسومات الشاملة للقسيم المركزي في حالتين من هذا القبيل. تعد منطقة 638 كيلوبايت ومنطقة 675 كيلوبايت، وكلاهما نشأ من الكروموسوم 5 واحتوت على منطقة القسيم المركزي، من حالات تكوين الكروموسومات الزائدة التي تم تحديدها في عازلتين متطورتين مقاومتين للفلوكونازول. يؤدي فقدان الكروموسومات الزائدة من العزلات المقاومة للأدوية إلى انعكاس كامل لقابلية الفلوكونازول. حدد تحليل Transcriptome للعزل الثالث الإفراط في التعبير عن مضخات تدفق الدواء كآلية محتملة غير مدفوعة بتكرار الصيغة الصبغية لمقاومة الدواء. تكشف هذه الدراسة معًا كيف يمكن أن تعمل كل من الآليات القائمة على اختلال الصيغة الصبغية والآليات المستقلة عن اختلال الصيغة الصبغية بالتوازي في مجموعة متطورة من C. أوريس في وجود دواء مضاد للفطريات، على الرغم من البدء من نفس السلالة المزروعة في ظل ظروف مماثلة، لتحقيق مستويات مختلفة من مقاومة الفلوكونازول. أهمية تطور مسببات الأمراض الفطرية مقاومة للأدوية من خلال مسارات متعددة عن طريق الحصول على طفرات جينية، أو زيادة عدد نسخ الجينات، أو تغيير التعبير الجيني. في هذه الدراسة، نحاول فهم آليات مقاومة الأدوية في البكتيريا الخارقة التي ظهرت مؤخرًا، C. oris. أحد الأساليب لدراسة هذا الجانب هو تحديد الآليات المختلفة التي تعمل في العزلات السريرية المقاومة للأدوية. النهج البديل هو تطوير عزل حساس للأدوية في وجود مركب مضاد للفطريات وتتبع التغييرات التي تؤدي إلى مقاومة الأدوية. هنا، نطور عزلًا حساسًا للأدوية لـ C. أوريس في المختبر في وجود مركب مضاد للفطريات يستخدم على نطاق واسع، فلوكونازول. بالإضافة إلى التغييرات المعروفة بالفعل مثل الإفراط في التعبير عن مضخات تدفق الأدوية، تحدد هذه الدراسة آلية جديدة لمقاومة الآزول من خلال ظهور كروموسومات إضافية من خلال الازدواجية القطاعية لمناطق الكروموسومات، بما في ذلك القسيمات المركزية. يساعد الكروموسوم المركزي الزائد على التضخيم المستقر لمجموعة من الجينات مع نسخة إضافية لمنح مقاومة الفلوكونازول.

Translated Description (French)

Candida auris présente une résistance à de multiples classes de médicaments antifongiques et à des agents de stérilisation, ce qui constitue une menace pour les personnes immunodéprimées dans le monde entier. Parmi les quatre principaux clades géographiques, les isolats de C. auris du clade 2 d'Asie de l'Est sont principalement sensibles aux médicaments. Dans cette étude, nous avons fait évoluer expérimentalement un tel isolat sensible aux médicaments pendant plusieurs générations en présence du composé antifongique fluconazole et analysé les changements dans le caryotype, la séquence d'ADN et les profils d'expression génique dans trois isolats résistants aux médicaments évolués. Le séquençage de nouvelle génération et le caryotypage électrophorétique confirment la présence d'aneuploïdie segmentaire en tant que chromosomes surnuméraires provenant d'événements de duplication chromosomique incluant les centromères dans deux de ces cas. Une région de 638 kb et une région de 675 kb, toutes deux provenant du chromosome 5 et contenant sa région centromérique, sont des exemples de formation de chromosomes surnuméraires identifiés dans deux isolats évolués résistants au fluconazole. La perte des chromosomes surnuméraires des isolats résistants aux médicaments entraîne une inversion complète de la sensibilité au fluconazole. L'analyse du transcriptome du troisième isolat a identifié la surexpression des pompes d'efflux de médicaments comme un mécanisme possible de résistance aux médicaments non induit par l'anuploïdie. Ensemble, cette étude révèle comment les mécanismes induits par l'aneuploïdie et indépendants de l'aneuploïdie peuvent fonctionner en parallèle dans une population évolutive de C. auris en présence d'un médicament antifongique, malgré le fait qu'ils proviennent de la même souche cultivée dans des conditions similaires, pour atteindre divers niveaux de résistance au fluconazole. IMPORTANCE Les agents pathogènes fongiques développent une résistance aux médicaments par de multiples voies en acquérant des mutations génétiques, en augmentant le nombre de copies de gènes ou en modifiant l'expression des gènes. Dans cette étude, nous tentons de comprendre les mécanismes de la résistance aux médicaments chez la superbactérie récemment apparue, C. auris. Une approche pour étudier cet aspect consiste à identifier divers mécanismes opérant dans des isolats cliniques résistants aux médicaments. Une approche alternative consiste à faire évoluer un isolat sensible aux médicaments en présence d'un composé antifongique et à retracer les changements qui entraînent une résistance aux médicaments. Ici, nous développons un isolat sensible aux médicaments de C. auris en laboratoire en présence d'un composé antifongique largement utilisé, le fluconazole. En plus des changements déjà connus comme la surexpression des pompes d'efflux de médicaments, cette étude identifie un nouveau mécanisme de résistance aux azoles par l'émergence de chromosomes supplémentaires par duplication segmentaire des régions chromosomiques, y compris les centromères. Le chromosome surnuméraire centrique aide à l'amplification stable d'un ensemble de gènes avec une copie supplémentaire pour conférer une résistance au fluconazole.

Translated Description (Spanish)

Candida auris exhibe resistencia a múltiples clases de medicamentos antimicóticos y agentes de esterilización, lo que representa una amenaza para las personas inmunocomprometidas en todo el mundo. Entre los cuatro clados geográficos principales, los aislados de C. auris del clado 2 de Asia oriental son en su mayoría susceptibles a los medicamentos. En este estudio, evolucionamos experimentalmente uno de estos aislados susceptibles a fármacos durante múltiples generaciones en presencia del compuesto antifúngico fluconazol y analizamos los cambios en el cariotipo, la secuencia de ADN y los perfiles de expresión génica en tres aislados resistentes a fármacos evolucionados. La secuenciación de próxima generación y el cariotipo electroforético confirman la presencia de aneuploidía segmentaria como cromosomas supernumerarios que se originan a partir de eventos de duplicación cromosómica que incluyen centrómeros en dos de estos casos. Una región de 638 kb y una región de 675 kb, ambas originadas en el cromosoma 5 y contenían su región centrómera, son casos de formación de cromosomas supernumerarios identificados en dos aislados evolucionados resistentes al fluconazol. La pérdida de los cromosomas supernumerarios de los aislados resistentes a los medicamentos da como resultado una reversión completa de la susceptibilidad al fluconazol. El análisis del transcriptoma del tercer aislado identificó la sobreexpresión de las bombas de eflujo de fármacos como un posible mecanismo de resistencia a los fármacos no impulsado por la aneuploidía. En conjunto, este estudio revela cómo los mecanismos impulsados por la aneuploidía e independientes de la aneuploidía pueden operar en paralelo en una población en evolución de C. auris en presencia de un fármaco antifúngico, a pesar de partir de la misma cepa cultivada en condiciones similares, para alcanzar varios niveles de resistencia al fluconazol. IMPORTANCIA Los patógenos fúngicos desarrollan resistencia a los medicamentos a través de múltiples vías mediante la adquisición de mutaciones genéticas, el aumento del número de copias de los genes o la alteración de la expresión génica. En este estudio, intentamos comprender los mecanismos de resistencia a los medicamentos en la superbacteria recientemente emergida, C. auris. Un enfoque para estudiar este aspecto es identificar varios mecanismos que operan en aislados clínicos resistentes a los medicamentos. Un enfoque alternativo es desarrollar un aislado susceptible a los medicamentos en presencia de un compuesto antifúngico y rastrear los cambios que dan como resultado la resistencia a los medicamentos. Aquí, desarrollamos un aislado sensible a los medicamentos de C. auris en el laboratorio en presencia de un compuesto antifúngico ampliamente utilizado, el fluconazol. Además de los cambios ya conocidos como la sobreexpresión de las bombas de eflujo de fármacos, este estudio identifica un nuevo mecanismo de resistencia al azol por la aparición de cromosomas adicionales a través de la duplicación segmentaria de regiones cromosómicas, incluidos los centrómeros. El cromosoma supernumerario céntrico ayuda a la amplificación estable de un conjunto de genes con una copia adicional para conferir resistencia al fluconazol.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يكتشف التطور الموجه الكروموسومات المتمركزة الزائدة التي تمنح مقاومة للآزولات في المبيضات الأذنية
Translated title (French)
L'évolution dirigée détecte des chromosomes centriques surnuméraires conférant une résistance aux azoles dans Candida auris
Translated title (Spanish)
La evolución dirigida detecta cromosomas centrados supernumerarios que confieren resistencia a los azoles en Candida auris

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4310463477
DOI
10.1128/mbio.03052-22

Is supplement to
https://openalex.org/W4280586374 (Other)
https://openalex.org/W4200246388 (Other)
https://openalex.org/W3182188475 (Other)
https://openalex.org/W3113903917 (Other)
https://openalex.org/W3092866133 (Other)
https://openalex.org/W3025731814 (Other)
https://openalex.org/W3007821104 (Other)
https://openalex.org/W2992037130 (Other)
https://openalex.org/W2895464621 (Other)
https://openalex.org/W2060082769 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1884334805
  • https://openalex.org/W1967417432
  • https://openalex.org/W1973285175
  • https://openalex.org/W1987095367
  • https://openalex.org/W2028793515
  • https://openalex.org/W2029641872
  • https://openalex.org/W2055043387
  • https://openalex.org/W2069408563
  • https://openalex.org/W2103111028
  • https://openalex.org/W2103441770
  • https://openalex.org/W2104107099
  • https://openalex.org/W2105649156
  • https://openalex.org/W2108234281
  • https://openalex.org/W2117365095
  • https://openalex.org/W2132284327
  • https://openalex.org/W2133579817
  • https://openalex.org/W2134526812
  • https://openalex.org/W2145329735
  • https://openalex.org/W2150140261
  • https://openalex.org/W2152239989
  • https://openalex.org/W2152745547
  • https://openalex.org/W2170551349
  • https://openalex.org/W2311669269
  • https://openalex.org/W2432815617
  • https://openalex.org/W2536287248
  • https://openalex.org/W2565480917
  • https://openalex.org/W2608385659
  • https://openalex.org/W2898806520
  • https://openalex.org/W2899359448
  • https://openalex.org/W2913720564
  • https://openalex.org/W2940793950
  • https://openalex.org/W2951912016
  • https://openalex.org/W2959316280
  • https://openalex.org/W2980028040
  • https://openalex.org/W3006763031
  • https://openalex.org/W3016937378
  • https://openalex.org/W3020256411
  • https://openalex.org/W3023067318
  • https://openalex.org/W3023175438
  • https://openalex.org/W3025731814
  • https://openalex.org/W3037647457
  • https://openalex.org/W3042508348
  • https://openalex.org/W3047849770
  • https://openalex.org/W3086546575
  • https://openalex.org/W3092360311
  • https://openalex.org/W3092866133
  • https://openalex.org/W3132382281
  • https://openalex.org/W3132971294
  • https://openalex.org/W3144914243
  • https://openalex.org/W3145703097
  • https://openalex.org/W3156587941
  • https://openalex.org/W3162537127
  • https://openalex.org/W3209188300
  • https://openalex.org/W4247053599
  • https://openalex.org/W4283817659