Roles of the MAK-1 and MAK-2 MAP kinases modules in somatic cell fusion of filamentous fungi

Serrano Salces, Antonio ORCID

Cell fusion is essential for the development and propagation of most eukaryotic organisms. In the filamentous fungus Neurospora crassa, cell fusion is observed during early colony establishment, when germinating spores fuse into a supracellular network, which further develops into the highly interconnected mycelial colony. The interaction of these genetically identical germlings is mediated by an unusual signaling mechanism, in which, in order to avoid self-signaling, the cells take turns in signal sending and receiving. The switch between these two physiological states is represented by the alternating membrane recruitment of the SO protein and the MAP kinase MAK-2. This dialog-like behavior is observed until the cells establish physical contact, when MAK-2 and SO both accumulate at the contact area. At this stage a second MAP kinase, MAK-1, is also recruited to the cell contact area, that controls the subsequent steps of cell wall remodeling and membrane fusion. The main goal of this thesis was to further characterize the molecular functions of the MAP kinases MAK-2 and MAK-1. A specific focus was the investigation of the relationship between the activity of these kinases and their subcellular spatial and temporal dynamics, by using molecular genetics, protein mislocalization, chemical genetics and live cell imaging. The results revealed a strong correlation between the specific subcellular localization and the activation and activity of the MAK-2 MAP kinase. In addition, for the first time a functional link between the MAK-2 and SO dynamics was identified. Furthermore, this work revealed new functions of MAK-1 in organizing of the actin cytoskeleton in fusing cells by activation of the Rho-GTPase RAC-1, while MAK-2 was shown to regulate the subcellular localization of the mentioned factors. A second independent research project investigated the conservation of cell fusion in other filamentous fungi. This study revealed for the first-time that the oscillatory recruitment of the fusion proteins is fully conserved in another filamentous fungus, the grey mold Botrytis cinerea. When N. crassa and B. cinerea spores were mixed, interspecies interactions were readily observed indicating that both fungi share a common molecular language.

Die Zellfusion ist ein elementarer Bestandteil der Entwicklung und Fortpflanzung der meisten eukaryotischen Organismen. In dem filamentösen Pilz Neurospora crassa treten Zellfusionen in den frühen Stadien der Kolonienetwicklung auf, wenn keimende Sporen in ein suprazelluläres Netzwerk fusionieren, aus dem sich das stark vernetzte Myzel entwickelt. Diese Interaktionen genetisch identischer Keimlinge werden durch einen ungewöhnlichen Signalmechanismus vermittelt, in dem sich die Zellen zwischen Signalsenden und -empfangen abwechseln, um eine Eigenstimulation zu verhindern. Dieser Wechsel zwischen zwei physiologischen Zuständen wird durch die abwechselnde Rekrutierung des SO-Proteins und der MAP-Kinase MAK-2 an die Plasmamembran illustriert. Dieses dialog-artige Verhalten tritt auf, bis die Zellen physischen Kontakt hergestellt haben. Danach akkumulieren SO und MAK-2 an der Kontaktstelle. In diesem Stadium wird eine zweite MAP-Kinase, MAK-1, an den Kontaktpunkt rekrutiert, die die weiteren Schritte des Zellwandumbaus und der Membranfusion kontrolliert. Hauptziel dieser Arbeit war es, die molekularen Funktionen der MAP-Kinasen MAK-1 und MAK-2 weiter zu beschreiben. Der Fokus lag dabei auf der Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Aktivität dieser Kinasen und ihrer subzellulären zeitlichen und räumlichen Dynamik mithilfe der Molekulargenetik, Fehllokalisierungen der Proteine, chemischer Genetik sowie Live Cell Imaging. Die Ergebnisse zeigten eine starke Korrelation zwischen der subzellulären Lokalisierung und der Aktivität und Aktivierung der MAK-2 MAP-Kinase. Zusätzlich wurde zum ersten Mal ein funktioneller Zusammenhang zwischen den Dynamiken von MAK-2- und SO aufgezeigt. Darüber hinaus wurden neue Funktionen von MAK-1 in der Organisation des Aktin-Zytoskeletts in fusionierenden Zellen durch die Aktivierung der Rho-GTPase RAC-1 beschrieben. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass MAK-2 die subzelluläre Dynamik der zuvor genannten Faktoren reguliert. In einem zweiten unabhängigen Forschungsprojekt wurde untersucht ob die Zellfusionsmechanismen in anderen Pilzen konserviert sind. Diese Untersuchung zeigte zum ersten Mal, dass die oszillierende Rekrutierung der Fusionsproteine vollständig in einem anderen Pilz, dem Grauschimmel Botrytis cinerea, konserviert ist. Wenn Sporen von N. crassa und B. cinerea gemischt wurden, waren Interspezies-Interaktionen häufig zu beobachten, was darauf hindeutet, dass beide Pilze eine gemeinsame molekulare Sprache teilen.

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Serrano Salces, Antonio: Roles of the MAK-1 and MAK-2 MAP kinases modules in somatic cell fusion of filamentous fungi. 2019.

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