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Verändern, Vereinen, Versiegeln – Die verschiedenen Rollen des Chitinsynthase-Regulators CSR-3 in der Kolonie-Entwicklung von Neurospora crassa

Herzog, Stephanie

Zell-Fusionen sind essentielle Ereignisse in der Entwicklung eukaryotischer Organismen. Sie treten in verschiedensten Lebensphasen und zwischen unterschiedlichen Zellformen auf, der Ablauf und Mechanismen sind aber vergleichbar. In dieser Arbeit diente der filamentöse Ascomycet Neurospora crassa als Modellorganismus zur Erforschung vegetativer Fusionen in Pilzen. Eine Besonderheit der Pilze ist ihre Zellwand, welche unter anderem die Komponente Chitin enthält. Das Zuckerpolymer wird über Chitin-Synthasen in den extrazellulären Raum synthetisiert. Ein entscheidender Schritt während der Zell-Fusion ist die die Umstrukturierung der Zellwand um die Verschmelzung der Plasmamembranen und die anschließende Fusion zu ermöglichen. Diese späte Phase der Zell-Fusion ist molekular kaum untersucht und daher Fokus dieser Arbeit. Die Charakterisierung des Chitin-Synthase-Regulator CSR-3 ergab, dass das Protein unterstützend während der Fusionsporenbildung fungiert und ein Fehlen zu vermehrter Lyse fusionierender Zellen führt. Mittels gerichteter Mutagenese konnte die Bedeutung der Prenylierung für die korrekte Funktion von CSR-3 während dieses Prozesses gezeigt werden. Zusätzlich ist der Regulator an der Septierung und Konidienbildung und an der lokalen und molekularen Antwort auf Zellwand- und Membranstress beteiligt. Die Mechanismen und auch ihre mögliche Verknüpfung der Prozesse finden bisher noch kaum Beachtung. Die erhaltenen Daten unterstützen die Hypothese, dass die Umstrukturierung der Zellwand während der Fusion über ein Gleichgewicht zwischen Auf- und Abbau stattfindet. Sie demonstrieren außerdem, dass die Proteine der Chitin-Synthese und der Fusion sowohl redundante als auch spezifische und generelle Funktionen in der Zelle ausüben können. Neben der Zellwand spielt bei der erfolgreichen Zell-Fusion auch die korrekte Positionierung der Plasmamembranen eine Rolle. In N. crassa erfüllen die Enzyme ERG-10a und ERG-10b (C5-Sterol-Desaturasen) redundante Rollen innerhalb der Membran-Synthese und ihr Verlust verhindert die Membran-Verschmelzung bei der Zell-Fusion. Dieser Defekt wurde in dieser Arbeit auf quantitativer Ebene untersucht. Eine phylogenetische Analyse der beiden Proteine ergab überraschenderweise, dass die Sequenz von erg-10b ursprünglich aus dem sehr seltenen Ereignis eines horizontalen Gentransfer aus einer Spezies der Basidiomycota stammt.

In eukaryotic organisms, cell fusion is essential for growth and development. Although fusion events occur during diverse developmental stages and between different cell types, the single steps of the process are conserved. In this work, the filamentous ascomycete fungus Neurospora crassa served as a model organism to study vegetative cell fusion in fungi. One specific feature of fungi is their cell wall, which contains chitin. This polysaccharide is synthesized into the extracellular room by chitin synthases. A crucial step during cell fusion is the remodeling of the cell wall of both interacting partners to enable physical contact of the plasma membranes and subsequent fusion. This study focuses on these late events of the fusion process because their molecular bases are still elusive. The analysis of the chitin synthase regulator CSR-3 revealed a stabilizing function of the protein during fusion pore formation. A lack of this regulator results in an increased lysis rate of fusing cells. Directed mutagenesis revealed that the prenylation of CSR-3 is essential for its proper function in this process. Additionally, the regulator is also involved in septation and conidiation and participates in the local and molecular response towards cell wall and membrane stress. These mechanisms and their putative link hardly received attention, yet. Over all, our data support the hypothesis that cell wall remodeling during cell fusion requires an equilibrium of synthesis and degradation. Furthermore, the different factors involved in chitin synthesis and cell fusion appear to possess individual, specific but also redundant and more general functions. Apart from the cell wall, the proper adhesion of the plasma membranes plays an important role for successful cell fusion. In N. crassa the enzymes ERG-10a and ERG-10b (C5 sterol desaturases) possess redundant functions in membrane biosynthesis and their absence hinders membrane merger. This study further characterized this phenotype in a quantitative manner. A phylogenetic analysis of both proteins revealed that the sequence of erg-10b was originally obtained by a very rare event of a horizontal gene transfer from a basidiomycete species.

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Herzog, S., 2020. Verändern, Vereinen, Versiegeln – Die verschiedenen Rollen des Chitinsynthase-Regulators CSR-3 in der Kolonie-Entwicklung von Neurospora crassa. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202006111128-0
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