Hydrogen peroxide (H₂O₂) Induces Hyphal Differentiation in Candida albicans through the CEK1 MAP Kinase Pathway

Abstract

Candida albicans is a common, dimorphic human pathogen and its hyphal form causes candidiasis predominantly in immunocompromised patients. Hyphal transition is a potent virulence factor, which is triggered by various nutritional and environmental factors, such as specific carbohydrates or amino acids, serum, temperature, pH, N-acetyl glucosamine, and starvation. Considering that the sub-toxic level of H2O2 is known to directly influence on various redox systems, resulting in regulation of cell differentiation, proliferation, signal transduction, and ion-transport in other species, our finding that hyphal differentiation can be induced by sub-toxic concentration (1 mM) of exogenous H2O2 is notable. This finding leads us to hypothesize the target signal pathway of H2O2 to be an intracellular induction factor or signal. There are two well-characterized hyphal inducing pathways, which are the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway and cAMP-protein kinase A (PKA) pathway regulated by transcription factor CPH1 and EFG1, respectively. To test our hypothesis we used a null mutant which is deleted in MAPK pathway or/and PKA pathway. Consequently, we found that hyphal formation of deletion mutant of PKA pathway (efg1△/efg1△) can be induced at 1 mM H2O2 concentration. However, there was no hyphal induction in MAPK pathway mutant (cph1△/cph1△). This result indicates that H2O2 regulates hyphal differentiation through the MAPK pathway rather than PKA pathway. In addition to this, we confirmed that CPH1 gene, transcription factor of MARK was highly expressed, and Cek1, upstream kinase of Cph1 significantly phosphorylated in the presence of 1 mM H2O2 by using Northern blotting and Western blotting, respectively. Therefore, we concluded that sub-toxic concentration of H2O2 works as a signal molecule to induce hyphal differentiation through the MAP kinase pathway in C. albicans.;이형병원성 곰팡이인 캔디다 알비칸스는 면역저하 환자에서 표면점막 감염부터 생명을 위협하는 전신감염까지 다양한 형태의 candidiasis를 유발한다. 효모 형태에서 균사체 형태로의 변화는 특정한 탄수화물, 아미노산, 염, pH, 온도, serum 등 다양한 요인에 의하여 발생한다. 기존 연구에서 세포독성을 동반하지 않는 낮은 세포 외 H2O2 농도에서 균사체 형태로의 전환이 유도가 된다는 것이 밝혀졌다. 다른 종에서 저농도의 H2O2는 세포의 분화와 신호전달, 철 수송 등을 조절하는 다양한 산화화원 시스템에 영향을 끼친다는 것이 알려져 있다. 때문에 우리는 저농도의 H2O2가 캔디다 알비칸스에서도 세포 내 메신저 역할을 수행하여 균사체 형태로의 전환을 일으키는 것이라 생각하였다. 균사체 형태로의 전환에 관여하는 주요 전사 인자 에는 EFG1, CPH1, CPH2, TUP1 등이 있다. 그 중 가장 잘 알려져 있는 것이 cAMP pathway에 속하는 EFG1, MAP kinase에 속하는 CPH1이다. 본 연구에서는 저농도의 H2O2가 기존에 밝혀진 pathway를 거치는지 아니면 새로운 pathway를 거치는지 즉 어떠한 신호 전달체계를 거쳐 균사체 형태로의 전환을 일으키는지 밝히기 위하여 우리는 이러한 전사인자들이 결실된 돌연변이체를 가지고 저농도와 고농도의 H2O2 처리 하에서의 세포 형태를 관찰하고, 전사인자들의 발현 정도를 보았다. 이를 통해 CPH1이 저농도의 H2O2의 세포 내 신호전달에 관여된다는 사실을 알게 되었다. 좀 더 자세한 결과를 위하여 CPH1 전사 인자들의 상위 kinase를 가지고 실험을 수행하였다. 이러한 일련의 실험들의 결과로 봤을 때, 캔디다 알비칸스에서 세포 내 메신저로 작용을 하는 저농도의 H2O2는 CPH1 전사인자가 속하는 CEK1 MAP kinase pathway를 통하여 효모 형태에서 균사 형태로의 전환을 일으킨다고 결론지을 수 있다.