Zelluläres Allgemeingut mit spezifischer Wirkung: Definierte strukturelle Merkmale von Sterolen beeinflussen die Zell-Zell-Kommunikation und -Fusion in Neurospora crassa

Weichert, Martin

Das kooperative Wechselspiel zwischen Zellen trägt maßgeblich zu Wachstum, Entwicklung und Vermehrung eukaryotischer Lebewesen bei. Keimende vegetative Sporen des filamentösen Pilzes Neurospora crassa wachsen gerichtet aufeinander zu, treten zahlreich miteinander in Kontakt und fusionieren zu einer funktionellen Einheit, die den Grundstein für die Pilzkolonie legt. Da die MAP-Kinase MAK-2 und das cytoplasmatische Signalprotein SO während des Zelldialogs alternierend an die apikalen Sterol-reichen Plasmamembranen der Interaktionspartner rekrutiert werden, hat diese Arbeit untersucht, wie sich eine veränderte Biosynthese des Membranlipids Ergosterol auf das zelluläre Verhalten auswirkt. Die Deletion des Gens erg-2 (derg-2) mindert das gerichtete Wachstum zwischen Keimlingen sowie deren Erkennung und Fusion nach Kontakt. Diese Defekte äußern sich in der gestörten Membran-Rekrutierung und -Lokalisierung von SO in der Mutante. Zudem wird die MAP-Kinase MAK-1, die sich zusammen mit diesem Scaffold-Protein an der Berührungsstelle von Wildtyp-Zellpaaren konzentriert, in derg-2 kaum rekrutiert. Die gestörte subzelluläre Lokalisierung von MAK-1 geht mit der verminderten Phosphorylierung dieser Proteinkinase in der Mutante einher, wohingegen MAK-2 nicht betroffen ist. Da die gezielte Inhibierung einer ATP-Analog-sensitiven Variante von MAK-1 und die reduzierte Expression von SO die für derg-2 typischen Defekte nachahmen, kann der Phänotyp der Mutante vollständig auf die selektive Beeinträchtigung dieses Signaltransduktionswegs zurückgeführt werden. Nicht der Mangel an Ergosterol, sondern die Akkumulation eines Sterol-Intermediats mit lediglich einer zusätzlichen Doppelbindung in der Seitenkette verursacht die Defekte von derg-2, wodurch die Membranfluidität in dieser Mutante übersteigern sein könnte. erg-Mutanten, deren Sterol-Intermediate nur eine veränderte Anordnung der Doppelbindungen im Ringsystem aufweisen, sind anders als derg-2 spezifisch während der Plasmamembranfusion zwischen Keimlingen gestört. Obwohl Kreuzungspartner während des sexuellen Zyklus dagegen normal miteinander interagieren und fusionieren, führt die Unterbrechung der Ergosterol-Biosynthese zu auffälligen Defekten bei der Fruchtkörperentwicklung dieses Ascomyceten. Damit beeinflusst die Struktur von Sterolen insgesamt nicht nur generelle Membraneigenschaften, sondern kann zudem eine selektive Wirkung auf bestimmte Entwicklungsphasen eukaryotischer Zellen sowie spezifische Signalwege entfalten.

The cooperative interplay between cells significantly impacts growth, development and proliferation of eukaryotic microbes and organisms. Germinating vegetative spores of the filamentous fungus Neurospora crassa grow towards each other, establish numerous contact sites and fuse with each other to form a functional unit from which the mycelial network originates. Since the recruitment of the MAP kinase MAK-2 and the cytosolic signaling protein SO to the apical sterol-rich plasma membranes of the interaction partners shows an oscillatory pattern during the cell dialog, this study analyzed the effect of an altered biosynthesis of the membrane lipid ergosterol on cellular behavior. Deletion of the gene erg-2 (derg-2) reduces directed growth and fusion between germlings, in particular disturbing cell-cell recognition after physical contact. These defects involve the impaired membrane recruitment and localization of SO in the mutant. Additionally, the MAP kinase MAK-1, which concentrates together with this scaffold protein at the contact site in wild-type cell pairs, is barely recruited in derg-2. The disturbed subcellular localization of MAK-1 correlates with decreased phosphorylation levels of this protein kinase in germlings of the mutant, whereas MAK-2 is not affected. Since the targeted inhibition of an ATP analog-sensitive variant of MAK-1 and the reduced expression of SO phenocopy the behavior of derg-2, the deficiencies of the mutant can be fully attributed to the selective impairment of this signaling pathway. The defects of derg-2 are not caused by the absence of ergosterol, but by the accumulation of a sterol intermediate with only one additional double bond in the side chain, which might increase membrane fluidity in the cells of this mutant. In contrast to derg-2, further erg mutants that accumulate sterol intermediates solely having an altered double bond arrangement in the ring system are specifically impaired during plasma membrane merger between vegetative cells. Although the interaction and fusion between mating partners in sexual crosses remains unaffected, the disruption of the ergosterol biosynthesis causes marked defects during the development of fruiting bodies in this ascomycete fungus. Taken together, sterol structure not only influences common characteristics of cell membranes, but can also selectively impact distinct developmental windows of eukaryotic cells and specific signaling pathways.

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Weichert, Martin: Zelluläres Allgemeingut mit spezifischer Wirkung: Definierte strukturelle Merkmale von Sterolen beeinflussen die Zell-Zell-Kommunikation und -Fusion in Neurospora crassa. 2017.

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