Evolution of antifungal drug resistance in Candida albicans

Abstract

The human pathogen Candida albicans is characterized by the presence of a hybrid tRNA (tRNACAGSer) that can be aminoacylated by both LeuRS and SerRS. This tRNA is responsible for the ambiguity of the CUG codon that can be decoded as serine (97%) and Leucine (3%). Previous studies showed that the level of ambiguity is variable depending on the growth condition of the fungus. These studies also revealed that strains mistranslating at a higher level grew better in the presence of azoles, particularly in the presence of fluconazole. To analyse the effect of translation errors on the acquisition of drug resistance, three strains of C. albicans were used (T0, T1 and T2). These strains have increasing levels of Leu misincorporation and were constructed by inserting a copy (T1) or two copies (T2) of a tDNACAG Leu gene. These strains were evolved experimentally in the presence and absence of the antifungal agent according to the approved EUCAST protocol. The level of ambiguity of all strains was measured along the evolution experiment, using a reporter system based on the green fluorescent protein (GFP). Finally, the type of acquired resistance was also evaluated (genetic or phenotypic resistance). Experimental data suggest that the acquisition of resistance is dependent on the drug and the percentage of mistranslation. Strains with increased mistranslation (T2) acquired more resistance (256 μg/ml) and faster than the control T0. Mutations in ERG11 gene might be responsible for this resistance. Also, T2 strain showed a decrease in the mistranslation level during both evolution experiments (with and without drug) as a consequence of the deletion of one of the two copies of the mutant tDNACAG Leu gene. This result further highlights the genetic instability of strain T2.

O fungo patogénico Candida albicans tem a particularidade de possuir um tRNA (tRNACAGSer) híbrido que é aminoacilado pelas sintetases SerRS e LeuRS. Esta característica é responsável pela ambiguidade do codão CUG que é decodificado como Ser (97%) e como Leu (3%). Estudos anteriores demonstraram que o nível de ambiguidade é variável dependendo da condição de crescimento do fungo e revelaram que estipes com maior erro de tradução crescem melhor na presença de azoís, particularmente em meio com fluconazol. Para analisar os efeitos dos erros de tradução na aquisição de resistência a drogas, construímos três estirpes de C. albicans (T0, T1 e T2) com níveis crescentes de incorporação de Leucina, inserindo uma cópia (T1) ou duas cópias (T2) do gene tDNACAG Leu. Estas estirpes foram evoluídas experimentalmente na presença e na ausência de fluconazol de acordo com o protocolo da EUCAST. O nível de ambiguidade destas estirpes foi avaliado durante o período da evolução usando um sistema reporter baseado na proteína fluorescente GFP. Finalmente foi também avaliada o tipo de resistência adquirida pelas estirpes ambíguas (resistência genética ou fenotípica). Os dados experimentais sugerem que a aquisição de resistência depende da droga e da percentagem do erro de tradução. As estirpes com maior erro de tradução (T2) adquirem mais resistência (256 μg/ml) e mais rapidamente sendo que mutações no gene ERG11 poderão ser responsáveis por essa resistência. Esta estirpe apresentou também um decréscimo da taxa de erro de tradução em ambas as evoluções (com e sem droga), resultado da deleção de uma das duas cópias do gene tDNACAG Leu. Este resultado reforça a instabilidade genética da estirpe T2.