Identifizierung und Charakterisierung molekularer Faktoren der pilzlichen Zell-Zell-Kommunikation und –Fusion

Schumann, Marcel René

Für die Entwicklung von höheren Eukaryoten ist die Zell-Zell-Kommunikation und -Fusion ein essentieller Bestandteil, jedoch sind die molekularen Grundlagen dieses Prozesses noch weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurde der Ascomycet Neurospora crassa als Modellorganismus zur Erforschung der Zell-Zell-Kommunikation und -Fusion verwendet. Zur Etablierung eines neuen Myzels kommunizieren ausgekeimte Sporen von N. crassa miteinander und wachsen gerichtet aufeinander zu. Dafür wird die stark koordinierte, sich abwechselnde Oszillation des Proteins SO und der MAP-Kinase MAK-2 an die Keimlingsspitzen benötigt, die vermutlich das gegenseitige Empfangen und Senden eines noch unbekannten Signals regulieren. In der vorliegenden Arbeit wurde der SO-Interaktionspartner SIP-1 erfolgreich als ein neues Protein identifiziert, welches essentiell für die Kommunikation, Fusion und die sexuelle Entwicklung in N. crassa ist. SIP-1 und SO werden gemeinsam oszillierend an den Spitzen interagierender Keimlinge rekrutiert. Im Gegensatz zu SO und MAK 2 oszilliert SIP-1 schon in isolierten, nicht interagierenden Keimlingen und ist bisher das einzige in N. crassa bekannte Protein, welches diese Oszillation schon vor der Interaktion zeigt. Durch die funktionelle Charakterisierung von SIP-1 konnte das bestehende Modell der Zell-Zell-Kommunikation und -Fusion um neue wichtige Aspekte erweitert werden. Die erfolgreiche Zell-Zell-Kommunikation mündet anschließend in dem hoch regulierten Prozess der Membranfusion. Ein Fehler in diesem Prozess kann in der Zelllyse und im Absterben beider Interaktionspartner resultieren. Um dies zu verhindern haben Eukaryoten eine Reihe von Reparatursystemen evolviert. Wichtige, hoch konservierte Vertreter sind die Proteine der penta-EF-hand Proteinfamilie, wie PEF 1 in N. crassa. Es zeigte sich, dass PEF-1 Calcium-abhängig bei fusionsinduzierter Lyse und als Antwort auf Lyse durch Fungizide zu den Verletzungen rekrutiert wird. Stresstests an der pef 1 Deletionsmutante ergaben starke Wachstumsdefekte auf Medium mit dem Phytoanticipin Tomatin. Die Ergebnisse zu PEF-1 deuten neben der Rolle bei der Zell-Zell-Fusion auf eine wichtige Bedeutung bei der Resistenz gegen Antimykotika hin. Zusätzlich ergab die Charakterisierung von Pef1p im humanpathogenen Pilz Candida albicans zum ersten Mal Hinweise auf den Beitrag der Membranreparatur zur pilzlichen Pathogenität.

Cell-cell communication and fusion is essential for the development of higher eukaryotic organisms, but the molecular principles of these processes are poorly understood. In this work, the Ascomycete Neurospora crassa was employed as a model organism to study cell-cell communication and fusion. In order to establish a new mycelial colony, germinated spores of N. crassa communicate and direct their growth towards each other. This process involves the highly coordinated alternating oscillation of the protein SO and the MAP-Kinase MAK-2 to the tips of the germlings, which likely represents the regulation of receiving and sending of an unknown signal. In the present work, the SO-interaction-partner SIP-1 was successfully identified as a new protein essential for communication, fusion and sexual development in N. crassa. During germling communication, SIP-1 and SO are jointly recruited to the germling tips in an oscillatory fashion. In contrast to SO an MAK 2, SIP-1 also oscillates in isolated, non-interacting germlings and is, so far, the only protein known in N. crassa which oscillates before the interaction process starts. By functional characterization of SIP-1 the current existing model of cell-cell communication and fusion could be expanded by new aspects. Successful cell-cell communication leads to the highly regulated process of membrane fusion. A failure in this process can result in cell lyses and the subsequent death of both interaction partners. To prevent cell lysis a number of repair mechanism has been evolved in eukaryotes. Important and highly conserved factors are proteins of the penta-EF-hand protein family, such as PEF 1 in N. crassa. This study revealed that PEF-1 is recruited in response to fusion- and fungicide-induced lysis to the point of injury in a calcium dependent manner. Furthermore, the pef-1 deletion mutant had strong growth defects on medium containing the phytoanticipin Tomatine. Beside the role of PEF-1 in the cell-cell fusion process, these results suggest an important function for antimycotic resistance. Moreover, the characterization of Pef1p in the human pathogen Candida albicans revealed a link between membrane repair and fungal pathogenicity.

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Schumann, Marcel: Identifizierung und Charakterisierung molekularer Faktoren der pilzlichen Zell-Zell-Kommunikation und –Fusion. 2019.

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