background image

 

Modulation  of  the  antifungal  activity  of  new  medicinal  plant  extracts  active  on 

Candida  glabrata  by  the  major  transporters  and  regulatorsof  the  pleiotropic  drug-

resistance network in Saccharomyces cerevisiae. 

By Kolaczkowski, Marcin 

 

Introduction  

TWO  YEAST  SPECIES,  Candida  albicans  and  Candida  glabrata,  cause  the  majority  of  human 

fungal  infections,  for  which  a  limited  number  of  effective  treatments  is  available.  Systemic  infections, 

associated  with  high  mortality  rates  especially  in  immunocompromised  patients,  areparticularly  difficult  to 

cure. This often results from the increased tolerance to the most commonly used azole antifungals, including 

fluconazole and ketoconazole, generally observed for C. glabrata and the rise in azole-resistant C. albicans 

infections. (9,26,38) Exposure of yeast to azoles promotes the development of resistance, which is most often 

associated with alterations in their target, Erg11, as wellas overproduction of multidrug efflux pumps, such 

as CaCdr1, CaCdr2,and CaMdr1 of C. albicans (10,29,27) or CgCdr1, CgCdr2, and CgSng2 of C. glabrata. 

(19,28,37)  New  treatment  strategies,  especially  those  active  against  azole-resistant  isolates,  are  urgently 

needed.  

The  molecular  mechanisms  of  multidrug-resistance  development  are  best  understood  in 

Saccharomyces  cerevisiae,  which  is  evolutionarily  related  to  C.  glabrata.  In  baker's  yeast,  prolonged 

exposure to many toxic compounds, including azoles, leads to the acquisition of point mutations leading to 

an  overproduction  of  multidrug  efflux  pumps  in  plasma  membranes.  These  gain-of-function  mutations 

cluster  in  two  homologous  transcriptional  regulators  of  the  [Zn.sub.2][Cys.sub.6]  family,Pdr1p  and  Pdr3p, 

largely  increasing  their  activatory  capabilities.  (13,24)  The  ATP-binding  cassette  superfamily  multidrug 

transporters  PDR5,  SNQ2,  and  YOR1  are  among  the  most  highly  induced  targets,  next  toother  genes 

affecting  different  cellular  functions,  including  lipid  metabolism.  (7,8,11,16)  The  substrate  profile  of  the 

major contributor to baker's yeast's pleiotropic drug resistance, Pdr5p, overlaps to some extent with profiles 

of  Sng2  and  Yorlp  and  strikingly  resembles  those  of  CaCdr1  and  CaCdr2.  (15,29)  Although  a  number  of 

medicinal plants had long been used to treat infections, relatively few extracts showing activity against fungi, 

mostly at relatively high concentrations, were identified. Another complication in the process of isolation of 

small  molecule  antifungal  components  of  plants  is  the  loss  of  activity  during  further  fractionation  steps. 

Medicinal  plants  are,  however,  a  rich  source  of  novel,  complex,  and  diverse  chemical  structures,  which 

warrants  their  more  thorough  investigation  as  a  potential  source  of  novel  antifungal  agents.  The  extent  to 

which multidrug efflux proteins interfere with the antifungal action of the newly identified extracts, active on 

C. glabrata,was explored here using the related model yeast species S. cerevisiae. 

 Materials and Methods Reagents 

  

The  following  reagents  were  purchased  from  the  respective  suppliers:  yeast  extract,  tryptone, 

peptone,  and  agar  (Becton  Dickinson,  Warsaw,  Poland);  glucose  and  sodium  chloride  (Standard,  Lublin, 

Poland);  ketoconazole  and RPMI1640  (Sigma,  Poznan,  Poland); and  MOPS (Amresco,Solon,  OH).  Strains 

background image

 

and  growth  conditions  The  C.  albicans  CCM8320  and  C.  glabrata  CCM8270  strains  were  from  the  Czech 

Collection  of  Microorganisms.  The  clinical  C.  albicans  isolates  15  and  28  (39)  were  kindly  provided  by 

Theodore White. The clinical C. glabrata isolates BPY112 and 126 (30) were kindly provided  by Maurizio 

Sanguinetti.  The  bacterial  strains  of  Escherichia  coli  K12  and  Staphylococcus  aureus  F137  were  kindly 

provided by Jacek Bania. The isogenic S. cerevisiae strains are described in Table 1. Strains FYMK 26/8-4D 

and  -9C  are  segregants  from  FYMKD  26/8.  Disruption  of  YOR1in  FYMK  26/8-4D,  -9C,  -5A,  -5C  was 

performed  as  previously  described.  (15)  The  minimal  inhibitory  concentrations  (MICs)  for  the  Candida 

strains  were  determined  by  the  microdilution  assay  in  MOPS-buffered  RPMI  1640  medium  as  previously 

described.  (6)  MIC  values  for  S.  cerevisiae  were  determined  by  the  microdilution  assay  essentially  as 

previously  described.  (17)  Growth  was  monitored  by  [OD.sub.550]  and  [OD.sub.600]  measurements  in  a 

microplate reader as well as by visual inspection after 24 and 48h. The extracts and the purified compounds 

were  added  as  dimethylsulfoxide  stock  solutions.  This  solvent  did  not  affectgrowth  at  the  applied 

concentrations. The MIC values represent the values observed in three independent measurements, in which 

the error did not exceed the window determined by the serial dilution factor. The growth not exceeding 20% 

of the solvent control was used for MIC breakpoint determination. The MIC values for bacterial strains were 

determined by the microdilution procedure in the Mueller-Hinton II medium (cation adjusted) according to 

the  previously  published  guidelines.  (22)  Plant  material  Dried,  ground  plant  material  was  extracted 

sequentially with hexane, chloroform [(CHCl.sub.3)], ethyl acetate (EtOAc), and methanol (MeOH), and the 

solvent was removed in vacuo. The growth inhibition assays were conducted on the dried solvent residues. In 

the  case  of  Artemisia  annua,  the  EtOAc  residue  was  then  chromatographed  on  silica  gel  and  the  fractions 

listed in Table 5 correspond to those described in Stermitz et al. (35) Mahonia fortunei was a gift from Dr. 

Xihuang Ji.(12) Berberis fendleri was described in Stermitz et al. (33) Pinus edulis was described in Stermitz 

et  al.  (36)  Hydrastis  canadensis  was field  grown  and a  gift  from  Dean  Gray  (Herb  Pharm,  Williams,  OR). 

Dalea  formosa  was  collected  near  Spring  Canyon  Rockbound  State  Park  SE  of  Deming,  New  Mexico 

(voucher  FRS  540).  Zanthoxylum  zanthoxyuloides  was  a  gift  from  Abayomi  Sofowora,  University  of  Ife, 

Nigeria. A. annuawas a gift from Hauser Research Laboratories, Boulder, C0. (35) Results Identification of 

new  medicinal  plant  extracts  active  on  pathogenic  yeast  In  the  search  for  new  antifungal  medicinal  plant 

extracts,  we  identified  several  fractions  showing  growth  inhibitory  activity  against  C.  glabrata  with  MIC 

values  below  120  [micro]g/ml  (Table  2).  A  generally  lower  susceptibility  was  observed  for  C.  albicans 

(Table 2). The antifungal activity of extracts was dependent on the solvent used for fractionation (Table 2). 

As  development  of  resistance  to  the  most  commonly  used  azole  antifungals  becomes  an  increasingly 

important problem in the chemotherapy of fungal infections, the effectiveness of the most potent extracts of 

D. formosa, the EtOAc extract of A. annua, and the methanolic extract of H. canadensis leaves against azole-

resistant  clinical  isolates  of  C.  albicans  and  C.  glabrata  was  also  verified.  A  comparable  activity  to  that 

reported  in  Table  2,  of  the  H.  canadensis  and  A.  annua  extracts  (MIC  of  160  and  240[micro]g/ml, 

respectively)  against  both  of  the  previously  characterized  azole-resistant  C.  albicans  isolates  15 

(overexpressing  CDR1  and  CDR2)  and  28  (overexpressing  CDR2),  (39)  was  observed.  These  isolates, 

similarly to the azolesensitive reference strain (Table 2), were not inhibited by the D. formosa extract. The 

background image

 

latter  was  active,  however,  with  a  similar  potency  (MIC  of  10[micro]g/ml)  against  a  matched  pair  of  the 

azole-sensitive clinical isolate of C. glabrata BPY112 and resistant, overexpressing CgCDR1, CgCDR2, and 

CgSNQ2, BPY 126. (30) Both isolates also showeda similarity to that reported in Table 21evel of sensitivity 

to  H.  canadensis  (MIC  of  20  [micro]g/ml)  and  A.  annua  (MIC  of  60  [micro]g/ml)  extracts.  To  verify  the 

pathogen selectivity, the antibacterial activity of the most potent extracts against the representatives of Gram-

negative(E.  coli)  and  Gram-positive  species  (S.  aureus)  was  measured.  The  extracts  of  D.  formosa  and  A. 

annua  did  not  show  any  antibacterial  activity,  at  the  highest  concentrations  used,  whereas  the  methanolic 

extract of H. canadensis leaves was only active against S. aureus with the MIC of 80 [micro]g/ml, which was 

within the range of its anticandidal activity. The pleiotropic drug-resistance network of genes differentially 

affects the antifungal properties of active crude extracts The therapeutic effect of plants that contain complex 

mixtures  of  secondary  metabolites  often  results  from  the  synergistic  action  of  several  compounds.  Such  a 

synergistic strategy has recently been shown to potentiate the antibacterial activity of the alkaloid berberine 

bythe  efflux  pump  inhibitor  5-methoxyhydnocarpin.  (34)  The  latter  compound  has  no  growth  inhibitory 

properties when applied alone, but potentiates berberine activity against S. aureus through inhibition of the 

Nor A multidrug efflux transporter. Because separation of growth inhibitory and efflux modulatory activities 

may  lead  to  the  often  observed  loss  of  activity  during  fractionation,  we  have  further  characterized  the 

identified extracts using the related to C. glabrata model yeast S. cerevisiae. This system has the advantage 

of  having  a  well-characterized  network  of  multidrug-resistance  genes,  and  can  easily  be  manipulated 

genetically, in contrast to the clinical Candida isolates,in which resistance is often mulifactorial and less well 

understood.(30,39) The effect of the extracts on the growth of single and multiple knockouts in the multidrug 

transporter  genes  PDR5,  SNQ2,  and  YOR1  in  the  overexpressing  PDR1-3  regulatory  mutant  or  the  strain 

bearing the wild-type PDR1 allele was measured. Double disruption of the regulators PDR1 and PDR3 was 

also included. In the case of the A. annua EtOAc extract, the increased sensitivity to growth inhibition in the 

hyperactivating  PDR1-3  regulatory  mutant  background  upon  disruption  of  PDR5,  SNQ2,  and  YOR1  was 

observed  (Table  3).  Disruptions  not  affecting  growth  were  omitted  for  clarity.  A  similar  response  to  this 

extract wasseen for the corresponding knockouts in the PDR1 wild-type background. The double disruption 

of PDR1 and PDR3 had a similar effect on theactivity of the A. annua EtOAc extract as the inactivation of 

the  three  transporters  (Table  4).  In  contrast,  disruption  of  both  regulators  had  a profound  effect  on  growth 

inhibition by the methanolic extract of P. edulis needles (Table 4). The triple knockout of PDR5, SNQ2, and 

YOR1  showed  increased  sensitivity  to  other  extracts,  excluding  Z.zanthoxyloides,  for  which  disruption  of 

the analyzed drug-resistancegenes did not increase its growth inhibitory effect (Table 4). Fractionation of A. 

annua extract reveals  the  separation  of  growthinhibitory  and  azole-sensitizing  activities  Further analysis of 

fractions  of  the  extract  of  A.  annua  after  silica  gel  chromatography  revealed  the  presence  of  two  kinds  of 

activities.  The  growth  inhibitory  activity  against  the  reference  strain  of  S.cerevisiae  was  only  seen  in 

fractions 5 and 6. This activity was strongly enhanced by deletion of the major multidrug transporters PDR5, 

SNQ2, and YOR1 and extended to fraction 11, peaking in fraction 8. Another activity that was observed was 

the  potentiation  of  the  antifungal  effect  of  a  subinhibitory  dose  of  ketoconazole.  It  showed  a  different 

distribution profile from the growth inhibitory activity and was present in fractions 5 and 9 to 12 as well as 

background image

 

18  (Table  5).  Artemisinin  shows  a  toxicity  profile  different  from  that  of  the  crude  extract  and  affects 

ketoconazole tolerance Artemisinin is an important active ingredient that was isolated from A. annua and is 

well known for its antimalarial activity. Analysisof its growth inhibitory properties against a set of isogenic 

S.  cerevisiae  strains  bearing  disruptions  of  the  major  multidrug  ABC  transporter  genes  in  the 

multidrugresistant PDR1-3 background revealed a dependence on PDR5 expression with no further influence 

of the inactivation of YOR1 and SNQ2 (Table 6 and data not shown). In addition, artemisinin potentiated the 

antifungal effect of ketoconazole. This effect was much stronger in the presence of the wild-type PDR1 allele 

as  compared  with  the  multidrugresistant  PDR1-3  mutant  highly  overproducing  Pdr5p,  Sng2p,  and  Yorlp 

(Table 6).  

Discussion  

The success of antifungal chemotherapy is often compromised due toa limited number of effective 

drugs  and  the  development  of  resistance.  C.  glabrata,  which  generally  shows  a  low  sensitivity  to  the  most 

commonly  used  azole  drugs,  is  rarely  used  for  natural  products  screening.  In  this  study  several  crude 

medicinal plant extracts mainly inhibiting the growth of this second most frequent human fungal pathogen 

were  identified.  These  include  the  most  active  extract  of  D.  formosa,  the  medicinalherb  native  to  the 

southwestern United States and northern Mexico, used as a remedy for influenza and viral infections as well 

as  to  relieve  aches  and  growing  pains.  (4)  Its  antifungal  activity  had  not  beenreported  previously.  The 

antimicrobial  properties  of  berberine-containing  plants,  including  Berberis/Mahonia  species  as  well  as  the 

widely used goldenseal (H. canadensis) that is native to southeastern Canada and northeasternUnited States, 

have  long  been  attributed  to  the  presence  of  this  alkaloid.  (3,21)  The  observed  anticandidal  effect  of 

Berberis/Mahonia extracts corresponded to the distribution of berberine, which is predominantly found in the 

roots of Berberis species, whereas high amounts of berberine are present in M. fortunei leaves. (33) A similar 

growthinhibitory effect of another berberine-containing medicinal herb Coptis chinensis against C. glabrata, 

with  reduced  sensitivity  of  C.  albicans,  was  reported  recently.  (31)  The  growth  inhibitory  effect  of 

goldenseal (H. canadensis) leaves, however, is probably related to components other than berberine, which is 

located in the roots and rhi zomes of this plant. Hydrastine, a possible candidate present in both rhizomes and 

leaves, proved inactive (data not shown). Z. zanthoxyloides is an important African herb used to treat several 

kinds  of  infections,  especially  those  associated  with dental  problems.  (5)  Although  we  could  not  detect its 

growth  inhibition  of  C.  albicans,  a  similar  observation  was  made  by  others  with  the  aqueous-ethanolic 

extracts  of  the  roots  and  stem  bark  of  this  plant,  which  showed  weak  activity  only  at  very  high 

concentrations, with MIC values of 1,000 [micro]g/ml. (23) However, for the first time, we demonstrate its 

potent growth inhibitory effect against C. glabrata. Further analysis of the most active extracts of A. annua, 

H.  canadensis,  and  D.  formosa  revealed  their  similar  growth  inhibitory  activity  against  the  azole-sensitive 

and  azoleresistant  Candida  isolates.  This  could  result  from  the  synergistic  effects  of  complex  mixtures  of 

plant secondary metabolites. Interestingly, compounds isolated from species related to D. formosa, such as 

the  arylbenzofuran  derivatives  from  Dalea  spinosa  (2)  and  a  chalcone  from  Dalea  versicolor,  (1) 

werereported  to  potentiate  antibiotic  activities  against  S.  aureus.  To  further  characterize  the  identified 

extracts,  the  well-defined  isogenic  strains  of  the  model  yeast,  S.  cerevisiae,  expressing  different  levels  of 

background image

 

their most important endogenous drug efflux pumps and their regulators were used. This approach revealed 

three types of responses. Whereas the toxicity of a crude EtOAc extract of A. annua was dependent on the 

combined presence of the major ABC MDR transporter genes PDR5, SNQ2, and YOR1 (Tables 3 and 4), the 

sensitivity of the methanolic extract of P. edulis needles only slightly increased in their absence. In this case, 

however, deletion of the master regulators of the pleiotropic drugresistance network PDR1 and PDR3 had a 

much stronger effect (Table 4). In contrast, the EtOAc extract of Z. zanthoxyloides was not detoxified by the 

pleiotropic  drug-resistance  network  (Table  4),  suggesting  the  possible  presence  of  antifungal  components 

escaping the activity of the major drug efflux pumps. The presence of Pdr5p, Yorlp, and Sng2p substrates in 

the  crude  extract  of  A.  annua  suggested  that  it  may  also  contain  modulators  of  antifungal  drug  resistance. 

This  was  further  supported  by  the  analysis  of  the  chromatographic  fractions  of  the  extract  in  which  a 

different distribution of the antifungal and ketoconazole-sensitizing activities was observed, thanks to the use 

of  the  well-defined  strains  of  the  model  yeast  S.  cerevisiae.  Several  reports  suggest  a  synergistic  activity 

between  artemisinin  and  other  constituents  of  A.  annua  crude  extract  against  Plasmodium.  (20,25)  In 

particular,  the  flavones  chrysosplenol-D  and  chrysosplenetin  from  A.  annua  were  reported  to  potentiatethe 

antimalarial activity of artemisinin against Plasmodium falciparum. (18) These two flavonols, showing only 

very  weak  growth  inhibitory  action,  have  also  been  shown  to  potentiate  the  activity  of  berberine  and 

norfloxacin against a drug-resistant strain of S. aureus. (35) In contrast to the crude extract, artemisinin was 

specifically detoxified by Pdr5p, suggesting that it is a transported substrate. Interestingly, artemisinin also 

potentiated the antifungal activity of ketoconazole. This may at least in part be related to the competition for 

transport by  Pdr5p with ketoconazole. This would be in line with the stronger effect observed in the wild-

type strain than in the PDR1-3 mutant, which highly overproduces Pdr5p. The identification of the medicinal 

plant extracts active against Candida isolates of reduced azole susceptibility and showing pathogenselectivity 

is  important  from  a  practical  view  point,  especially  as  A.  annua  is  promoted  in  the  United  States  for  the 

treatment of yeast infections. (32) Our study suggests a similar use for the identified extracts of D. formosa 

and the leaves of the commonly used goldensealH. canadensis. Our observations supporting the view that the 

often  observed  decrease  of  antifungal  activity  upon  crude  medicinal  plant  extract  fractionation  may  result 

from the separation of synergistically acting modulators of efflux pumps and growth inhibitory compounds 

have practical implications for the development of new antifungals and reversing agents. Acknowledgments 

We are grateful to Aleksander Sikorski, Jan Szopa, and Antoni Polanowski for sharing laboratory equipment; 

Xihuang Ji, Dean Gray, and Abayomi Sofowora for sharing plant material; and Theodore White, Maurizio 

Sanguinetti, and Jacek Bania for the kind gift of strains. This work was supported by the Ministry of Science 

and  Higher  Education  (funds  for  the  Wroclaw  Medical  University).  Disclosure  Statement  No  competing 

financial interests exist.  

References 

 (1.) Belofsky, G., R. Carreno, K. Lewis, A. Ball, G. Casadei, and G.P. Tegos. 2006. Metabolites of 

the 

"Smoke 

Tree" 

Dalea  spinosa, 

potentiate 

antibiotic 

activity 

against 

multidrug-resistant 

Staphylococcusaureus. J. Nat. Prod. 69:261-264.  

background image

 

(2.)  Belofsky,  G.,  D.  Percivill,  K.  Lewis,  G.P.  Tegos,  and  J.  Ekart.  2004.  Phenolic  metabolites  of 

Dalea versicolor that enhance activity against model pathogenic bacteria. J. Nat. Prod. 67.481-484.  

(3.)  Birdsall,  T.C.,  and  G.S.  Kelly.  1997.  Berberine:  therapeutic  potential  of  an  alkaloid  found  in 

several medicinal plants. Alt. Med.Rev. 2:94-103.  

(4.) Carter, J.L. 1997. Trees and Shrubs of New Mexico. Johnson Books, Boulder, CO. 

(5.)  Chukwuka,  K.S.,  and  F.T.  Agulanna.  2005.  Laboratory  assay  of  the  active  ingredients  in 

Zanthoxylum  zanthoxyloides  (Lam)  Zepern  andTimler  and  its  remedy  in  dental  problems.  Int.  J.  Biomed. 

Health. Sci. 1:37-40.  

(6.)  Cuenca-Estrella,  M.,  W.  Lee-Yang,  M.A.  Ciblak,  B.A.  Arthington-Skaggs,  E.  Mellado,  D.W. 

Warnock, and J.L. Rodriguez-Tudela. 2002. Comparative evaluation of NCCLS M27-A and EUCAST broth 

microdilution  procedures  for  antifungal  susceptibility  testing  of  Candida  species.  Antimicrob.  Agents 

Chemother. 46:3644-3647.  

(7.)  Delaveau,  T.,  A.  Delahodde,  E.  Carvajal,  J.  Subik,  and  C.  Jacq.  1994.  PDR3,  a  new  yeast 

regulatory  gene,  is  homologous  to  PDR1  andcontrols  the  multidrug  resistance  phenomenon.  Mol.  Gen. 

Genet. 244:501-511.  

(8.)  DeRisi  J.,  H.B.  van  den  Hazel,  P.  Marc,  E.  Balzi,  P.  Brown,  C.  Jacq,  and  A.  Goffeau.  2000. 

Genome microarray analysis of transcriptional activation in multidrug resistance yeast mutants. FEBS Lett. 

470:156-160.  

(9.)  Ellis,  M.  2002.  Invasive  fungal  infections:  evolving  challenges  for  diagnosis  and  therapeutics. 

Mol. Immunol. 38:947-957.  

(10.) Fidel, P.L., Jr., J.A. Vazquez, and J.D. Sobel. 1999. Candida glabrata: review of epidemiology, 

pathogenesis, and clinical disease with comparison to C. albicans. Clin. Microbiol. Rev. 12:80-96.  

(11.) Hallstrom, T.C., L. Lambert, S. Schorling, E. Balzi, A. Goffeau, and W.S. Moye-Rowley. 2001. 

Coordinate  control  of  sphingolipid  biosynthesis  and  multidrug  resistance  in  Saccharomyces  cerevisiae.  J. 

Biol. Chem. 276:23674-23680.  

(12.) Ji, X., Y. Li, H. Liu, Y. Yan, and J. Li. 2000. Determination of the alkaloid content in different 

parts of some Mahonia plants by HPCE. Pharm. Acta Helv. 74:387-391.  

(13.)  Kolaczkowska,  A.,  M.  Kolaczkowski,  A.  Delahodde,  and  A.  Goffeau.  2002.  Functional 

dissection of Pdrlp, a regulator of multidrug resistance in Saccharomyces cerevisiae. Mol. Genet. Genomics 

267:96-106.  

(14.)  Kolaczkowska,  A.,  M.  Kolaczkowski,  A.  Goffeau,  and  W.S.  Moye-Rowley.  2008. 

Compensatory activation of the multidrug transporters Pdrlp, Sng2p, and Yorlp by Pdrlp in Saccharomyces 

cerevisiae. FEBS Lett. 582:977-983.  

(15.) Kolaczkowski, M., A. Cybularz-Kolaczkowska, J. Luczyfiski, S. Witek, and A. Goffeau. 1998. 

In vivo characterization of the drug resistance profile of the major ABC transporters and other components 

of the yeast ple iotropic drug resistance network. Microb. Drug Resist. 4:143-158.  

background image

 

(16.) Kolaczkowski, M., A. Kolaczkowska, B. Gaigg, R. Schneiter, and W.S. Moye-Rowley. 2004. 

Differential  regulation  of  ceramide  synthase  components  LAC1  and  LAG1  in  Saccharomyces  cerevisiae. 

Eukaryot. Cell 3:880-892.  

(17.)  Kolaczkowski,  M.,  K.  Michalak,  and  N.R.  Motohashi.  2003.  Phenothiazines  as  potent 

modulators of yeast multidrug resistance. Int. J. Antimicrob. Agents 22:279-283.  

(18.)  Liu,  K.C.-S.,  S.  L.  Yang,  M.F.  Roberts,  B.C.  Elford,  and  J.D.  Phillipson.  1992.  Antimalarial 

activity of Artemisia annua flavonoids from whole plants and cell cultures. Plant Cell Rep. 11:637-640.  

(19.) Miyazaki, H., Y. Miyazaki, A. Geber, T. Parkinson, C. Hitchcock, D.J. Falconer, D.J. Ward, K. 

Marsden,  and  J.E.  Bennett.  1998.  Fluconazole  resistance  associated  with  drug  efflux  and  increased 

transcription  of  a  drug  transporter  gene,  PDH1,  in  Candida  glabrata.  Antimicrob.  Agents  Chemother. 

42:1695-1701.  

(20.) Mueller, M.S., I.B. Karhagomba, H.M. Hirt, and E. Wemakor. 2000. The potential of Artemisia 

annua L. as a locally produced remedyfor malaria in the tropics: agricultural, chemical and clinical aspects. J. 

Ethnopharmacol. 73:487-493.  

(21.)  Nakamoto,  K.,  S.  Sadamori,  and  T.  Hamada.  1990.  Effects  of  crude  drugs  and  berberine 

hydrochloride on the activities of fungi. J.Prosthet. Dent. 64:691-694.  

(22.)  National  Committee  for  Clinical  Laboratory  Standards.  2000.  Approved  standard:  M7-A5. 

Methods  for  dilution  antimicrobial  susceptibility  tests  for  bacteria  that  grow  aerobically,  fifth  edition. 

NCCLS, Wayne, PA.  

(23.) Ngono Ngane, A., L. Biyiti, P.H. Amvam Zollo, and P. Bouchet. 2000. Evaluation of antifungal 

activity of extracts of two Cameroonian Rutaceae: Zanthoxylum leprieurii Guill. et Perr. and Zanthoxylum 

xanthoxyloides Waterm. J. Ethnopharmacol. 70:335-342.  

(24.)  Nourani,  A.,  D.  Papajova,  A.  Delahodde,  C.  Jacq,  and  J.  Subik.  1997.  Clustered  amino  acid 

substitutions in the yeast transcription regulator Pdrlp increase pleiotropic drug resistance and identify anew 

central regulatory domain. Mol. Gen. Genet. 256:3971105.  

(25.) Phillipson, J.D., C.W. Wright, G.C. Kirby, and D.C. Warhurst. 1995. Phytochemistry of some 

plants used in traditional medicine for the treatment of protozoal disease. In K. Hostettman, A. Marston, M. 

Maillard, and M. Hamburger (eds.), Phytochemistry of plants used intraditional medicine. Clarendon Press, 

Oxford, pp. 95-135.  

(26.)  Ruhnke,  M.  2006.  Epidemiology  of  Candida  albicans  infectionsand  role  of  non-Candida-

albicans yeasts. Curr. Drug Targets 7:495-504.  

(27.)  Sanglard,  D.,  F.  Ischer,  D.  Calabrese,  M.  de  Michell,  and  J.Bille.  1998.  Multiple  resistance 

mechanisms to azole antifungals in yeast clinical isolates. Drug Resist. Updates 1:255-265.  

(28.)  Sanglard,  D.,  F.  Ischer,  D.  Calabrese,  P.A.  Majcherczyk,  andJ.  Bille.1999.  The  ATP  binding 

cassette transporter gene CgCDR1 fromCandida glabrata is involved in the resistance of clinical isolates to 

azole  antifungal  agents.  Antimicrob.  Agents  Chemother.  43:2753-2765.  (29.)  Sanglard,  D.,  F.  Ischer,  M. 

Monod,  and  J.  Bille.  1997.  Cloning  of  Candida  albicans  genes  conferring  resistance  to  azole  antifungal 

agents: characterization of CDR2, a new multidrug ABC transporter gene. Microbiology 143:405-416.  

background image

 

(30.) Sanguinetti, M., B. Posteraro, B. Fiori, S. Ranno, R. Torelli, and G. Fadda. 2005. Mechanisms 

of  azole  resistance  in  clinical  isolates  of  Candida  glabrata  collected  during  a  hospital  survey  of  antifungal 

resistance. Antimicrob. Agents Chemother. 49:668-679.  

(31.)  Seneviratne,  C.J.,  R.W.K.  Wong,  and  L.P.  Samaranayake.  2007.Potent  anti-microbial  activity 

of  traditional  Chinese  medicine  herbs  against  Candida  species.  Mycoses  51:30-34.  (32.)  Spelman,  K., J.A. 

Duke, and M.J. Bogenschutz-Godwin. 2006. The synergy principle at work with plants, pathogens, insects, 

herbivores  and  humans.  In  L.J.  Cseke,  A.  Kirakosyan,  P.B.  Kaufman,  S.L.  Warber,  J.A.  Duke,  and  H.L. 

Brielmann (eds.), Natural Products from Plants. Taylor & Francis, Boca Raton, pp. 475-502.  

(33.)  Stermitz,  F.R.,  T.D.  Beeson,  P.J.  Mueller,  J.F.  Hsiang,  and  K.  Lewis.  2001.  Staphylococcus 

aureus MDR  efflux  pump  inhibitors  froma  Berberis  and  a Mahonia  (sensu  strictu)  species.  Biochem.  Syst. 

Ecol. 29:793-798.  

(34.)  Stermitz,  F.R.,  P.  Lorenz,  J.N.  Tawara,  L.A.  Zenewicz,  and  K.  Lewis.  2000.  Synergy  in  a 

medicinal plant: antimicrobial action of berberine potentiated by 5'-methoxyhydnocarpin, a multidrug pump 

inhibitor. Proc. Nad. Acad. Sci. USA 97: 1433-1437.  

(35.)  Stermitz,  F.R.,  L.N.  Scriven,  G.  Tegos,  and  K.  Lewis.  2002.  Two  flavonols  from  Artemisia 

annua  which  potentiate  the  activity  of  berberine  and  norfloxacin  against  a  resistant  strain  of 

Staphylococcusaureus. Planta Med. 68:1140-1141.  

(36.)  Stermitz,  F.R.,  J.N.  Tawara,  M.  Boeckl,  M.  Pomeroy,  T.A.  Foderaro,  and  F.G.  Todd.  1994. 

Piperidine alkaloid content of Picea (spruce) and Pinus (pine). Phytochemistry 35:451-453.  

(37.) Torelli, R., B. Posteraro, S. Ferrari, M. La Sorda, G. Fadda, D. Sanglard, and M. Sanguinetti. 

2008.  The  ATP-binding  cassette  transporter-encoding  gene  CgSNQ2  is  contributing  to  the  CgPDR1-

dependentazole resistance of Candida glabrata. Mol. Microbiol. 68:186-201.  

(38.)  Wenzel,  R.P.  1995.  Nosocomial  candidemia:  risk  factors  and  attributable  mortality.  Clin. 

Infect. Dis. 20:1531-1534.  

(39.) White, T.C., S. Holleman, F. Dy, L.F. Mirels, and D.A. Stevens. 2002. Resistance mechanisms 

in clinical isolates of Candida albicans. Antimicrob. Agents Chemother. 46:17041713.  

Marcin Kolaczkowski, [1] Anna Kolaczkowska, [2] and Frank R. Stermitz [3] 

 [1]  Department  of  Biophysics,  Wroclaw  Medical  University,  Wroclaw,Poland.  [2]  Faculty  of 

Veterinary  Medicine,  Wroclaw  University  of  Environmental  and  Life  Sciences,  Wroclaw,  Poland.  [3] 

Department of Chemistry, Colorado State University, Fort Collins, Colorado. Address reprint requests to: Dr. 

Marcin Kolaczkowski Department of Biophysics Wroclaw Medical University ul. Chalubinskiego 10 50-368 

Wroclaw  Poland  E-mail:  mkolacz2Cpoczta.onet.pl  TABLE  1.  SACCHAROMYCES  CEREVISIAE 

STRAINS  USED  IN  THIS  STUDY  Strain  Genotype  Reference  /source  FY1679-28C  (MATa,  ura3-52, 

trp1[Delta]63,  (C.  leu2AI,  his3A200,  GAL2+)  Fairhead,  Paris,  France)  FY1679-1D  (MATa,  ura3-52, 

trp1[Delta]63,  (C.  his3A200,  GAL2+)  Fairhead)  FYMK-1/1  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  15  leu2AI, 

his3A200,  GAL2+,  pdr5-Al::hisG)  FYMK  23/2  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  15  leu2AI,  his3A200, 

GAL2+,  sng2-Al::hisG)  FYAK  4  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  15  leu2AI,  his3A200,  GAL2+,  yorl-

l::hisG)  FYMK  26/8-10B  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  15  leu2AI,  his3A200,  GAL2+,  pdr5-Al::hisG, 

background image

 

sng2-Al::hisG)  FYAK  1/1  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  14  leu2AI,  his3A200,  GAL2+,  pdr5-Al::hisG, 

yorl-1::hisG)  FYAK  23/2  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  14  leu2AI,  his3A200,  GAL2+,  sng2-Al::hisG, 

yorl-1::hisG)  FYAK  26/8-10B1  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  15  leu2AI,  his3A200,  GAL2+,  pdr5-

Al::hisG, sng2-Al::hisG, yorl-1::hisG) FY1679/TDEC (MATa, ura3-52, trp1[Delta]63, 7 leu2AI, his3A200, 

GAL2+,  pdrl-A2::TRP1,  pdr3-A::HIS3)  FYMK  26/8-5C  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  15  leu2AI, 

his3A200,  GAL2+,  PDR1-3)  FYMK  10/1-27D1  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  15  leu2AI,  his3A200, 

GAL2+,  PDR1-3,  pdr5-Al::hisG)  FYMK  26/8-5A  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  15  leu2AI,  his3A200, 

GAL2+,  PDR1-3,  pdr5-Al::hisG)  FYMK  26/8-4D  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  This  study  leu2AI, 

his3A200,  GAL2+,  PDR1-3,  sng2-Al::hisG)  FYAK  26/8-5C4  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  This  study 

leu2AI,  his3A200,  GAL2+,  PDR1-3,  yorl-l::hisG)  FYMK  26/8-9C  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  This 

study leu2AI, his3A200, GAL2+, PDR1-3, pdr5-Al::hisG, sng2-Al::hisG) FYAK 26/8-5A2 (MATa, ura3-52, 

trp1[Delta]63,  This  study  leu2AI,  his3A200,  GAL2+,  PDR1-3,  pdr5-Al::hisG,  yorl-1::hisG)  FYAK  26/8-

4D2  (MATa,  ura3-52,  trp1[Delta]63,  This  study  leu2AI,  his3A200,  GAL2+,  PDR1-3,  sng2-Al::hisG,  yorl-

1::hisG) FYAK 26/8-9C1 (MATa, ura3-52, trp1[Delta]63, This study leu2AI, his3A200, GAL2+, PDR1-3, 

pdr5-Al::hisG,  sng2-Al::hisG,  yorl-1::hisG)  The  strains  are  isogenic  derivatives  of  the  FY1679  parental 

strain.  TABLE  2.  INHIBITION  OF  PATHOGENIC  YEAST  GROWTH  BY  MEDICINAL  PLANT 

EXTRACTS  MIC  ([micro]g/ml)  Plant  species  Solvent  Candida  Candida  (plant  part)  glabrata  albicans 

Mahonia  (Berberis)  CH[Cl.sub.3]  >40  >40  fortunei  (leaves)  M.  fortunei  McOH  (leaves)  40  320  Berberis 

fendleri  McOH  (roots)  60  240  Pinus  edulis  McOH  (needles)  120  >480  Zanthoxylum  EtOAc  (a)  80  >320 

zanthoxyloides  Hydrastis  Hexane  (leaves)  >80  >80  canadensis  H.  canadensis  EtOAc  (leaves)  >80  >80  H. 

canadensis McOH (leaves) 40 160 Dalea formosa EtOAc (twigs, 20 >80 leaves) Artemisia annua EtOAc (a) 

60 120 A. annua McOH (a) >120 >120 Fluconazole 8 0.25 (a) The whole above-ground plant material was 

used  for  extraction.  MIC,  minimum  inhibitory  concentration;  CHC13,  chloroform;  McOH,  methanol; 

EtOAc,  ethyl  acetate.  TABLE  3.  DELETIONS  IN  MAJOR  ABC  MDR  TRANSPORTERS  GENES 

AFFECTING  ARTEMISIA  ANNUA  EXTRACT  SENSITIVITY  Genotype  PDR1-3  [Delta]5  [Delta]1 

[Delta]5  MIC  ([micro]g/m1)  >240  >240  240  Genotype  [Delta]2  [Delta]1  [Delta]5  [Delta]2  [Delta]5  MIC 

([micro]g/m1)  120  120  The  control  PDR1-3  mutant  and  isogenic  single  and  multiple  knockouts  in  YOR1, 

SNQ2,  and  PDR5  are  marked  [Delta]1,  [Delta]2,  and  [Delta]5,  respectively.  MIC,  minimum  inhibitory 

concentration. TABLE 4. GROWTH INHIBITION OF SACCHAROMYCES CEREVISIAE MUTANTS IN 

THE  MAJOR  TRANSPORTERS  AND  REGULATORS  OF  THE  PLEIOTROPIC  DRUG-RESISTANCE 

NETWORK  BY  MEDICINAL  PLANT  EXTRACTS  ACTIVE  ON  PATHOGENIC  YEAST  MIC 

([micro]g/ml)  Plant  species  Solvent  (plant  part)  PDR1  Mahonia  fortunei  MeOH  (leaves)  360  Berberis 

fendleri MeOH (roots) 240 Pinus edulis MeOH (needles) >600 Zanthoxylum zanthoxyloides EtOAc (a) 90 

Hydrastis canadensis MeOH (leaves) 180 Dalea formosa EtOAc (twigs, leaves) >40 Artemisia annua EtOAc 

(a)  240  A.  annua  MeOH  (a)  >120  MIC  ([micro]g/ml)  Plant  species  [Delta]1  pdr1[Delta],  [Delta]2 

pdr3[Delta]  [Delta]5  Mahonia  fortunei  90  90  Berberis  fendleri  120  120  Pinus  edulis  300  75  Zanthoxylum 

zanthoxyloides 90 90 Hydrastis canadensis 90 180 Dalea formosa 40 40 Artemisia annua 60 60 A. annua 120 

>120 (a) The whole above-ground plant material was used for extraction. The control PDR1 wild-type strain 

background image

10 

 

is  marked.  Isogenic  knockouts  of  YOR1,  SNQ2,  and  PDR5  as  well  as  in  PDR1  and  PDR3  are  marked 

[Delta]1[Delta]2[Delta]5  and  pdr1[Delta]  and  pdr3[Delta],  respectively.  MIC,  minimum  inhibitory 

concentration;  McOH,  methanol;  EtOAc,  ethyl  acetate.  TABLE  5.  SACCHAROMYCES  CEREVISIAE 

GROWTH  INHIBITION  AND  MODULATION  OF  KETOCONAZOLE  TOLERANCE  BY  SELECTED 

FRACTIONS FROM SILICA GEL CHROMATOGRAPHY OF ARTEMISIA ANNUA ETHYL ACETATE 

EXTRACT  Fraction  Wt  MIC  ([micro]g  Wt  +keto-  number  (a)  /ml)  [Delta]1  conazole  [Delta]2  [Delta]5  5 

240 60 <5 6 360 90 360 7 >360 60 >360 8 >120 30 >120 9 >60 60 <5 10 >120 120 <5 11 >120 120 <5 12 

NA NA <5 13 >60 >60 60 14 >120 >120 >120 15 >480 >480 >480 16 >360 >360 >360 17 >60 >60 >60 18 

NA  NA  <5  The  triple  knockout  of  YOR1,  SNQ2,  and  PDR5  ([Delta]1[Delta]2[Delta]5)  and  the  isogenic 

wild-type (wt) strains were used. MIC values in the presence of a subinhibitory ketoconazole concentration 

are  indicated  +ketoconazole.  (a)  Fraction  numbers  correspond  to  those  described  in  reference  35.  MIC, 

minimum  inhibitory  concentration;  NA,  no  activity  detected  due  to  trace  amounts  of  material.  TABLE  6. 

EFFECT  OF  ARTEMISININ  ON  GROWTH  OF  SACCHAROMYCES  CEREVISIAE  MUTANTS  OF 

MAJOR ABC MDR TRANSPORTERS AND ON MODULATION OF KETOCONAZOLE RESISTANCE 

Genotype PDR1-3 [Delta]5 [Delta]l PDR1 [Delta]2 [Delta]5 MIC >200 50 50 >200 ([micro]g/ml Genotype 

PDR1-3 PDR1 +keto +keto MIC 25 3 ([micro]g/ml