TOR Anpassung an Eisenmangel bei pathogenen Pilzen

Pflanzenpathogene Pilze verursachen substanzielle Ernteverluste und für den Mensch pathogene Pilze lösen in zunehmendem Masse lebensbedrohende Infektionen aus. Deshalb besteht ein dringender Bedarf an neuen antifungalen Wirkstoffen, was ein tiefgreifendes Verständnis der Pathogenese auf molekularer Ebene erfordert. TOR (Target Of Rapamycin) ist eine in allen Eukaryonten hoch-konservierte Serin/Threonin- Proteinkinase, die eine zentrale Rolle der zellulären Koordination von Nährstoffangebot, Metabolismus und Wachstum spielt. Eisen ist für alle Eukaryonten ein essentielles Metall, das im Überschuss allerdings toxisch wirkt. Deshalb haben alle Organismen streng regulierte Eisen- homöostatische Mechanismen entwickelt um die Balance zwischen Aufnahme, Speicherung und Verbrauch dieses gefährlichen Nährstoffes zu gewährleisten. Vorhergehende Studien im Rezipienten-Labor haben das Eisen-regulatorische Netzwerk in Pilzen charakterisiert und gezeigt, das Eisenregulation und Siderophor-vermittelte Eisenaufnahme essentiell für die Virulenz von Pilzen in pflanzlichen als auch tierischen Wirten ist. Die am Besten definierten TOR-aktivierenden Metaboliten sind Aminosäuren. Rezente Studien legen auch einen cross talk mit dem Eisenmetabolismus nahe, der allerdings gänzlich uncharakterisiert ist. Da Eisen ein essentieller zellulärer Nährstoff ist und viele zelluläre Prozesse, die durch TOR reguliert werden, Eisen als Co-Faktor benötigen, postulieren wir eine Vernetzung von Eisenstoffwechsel und TOR-Regulation: so sollte Eisenmangel die TOR- Aktivität inhibieren, was wiederum für die optimale Anpassung an Eisenmangel wichtig sein sollte. In diesem Projekt soll die Rolle von TOR in der Anpassung an Eisenmangel in dem Pflanzenpathogen Fusarium oxysporum und dem Humanpathogen Aspergillus fumigatus untersucht werden. Dabei kommen mikrobiologische, genetische und biochemische Methoden sowie Phosphoproteomanalysen zur Anwendung. Da Pilze während der Infektion pflanzlicher und tierischer Wirten mit Eisenmangel konfrontiert sind, könnte die Vernetzung zwischen Eisenmetabolismus und TOR-Regulation eine zentrale Rolle in der Infektionsbiologie spielen und deren Charakterisierung neue Perspektiven im Kampf gegen pathogene Pilze eröffnen.

Pathogene Pilze verursachen verheerende Ertragsverluste und lebensbedrohliche menschliche Mykosen. Folglich besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung neuer antifungaler Verbindungen, ein Prozess, der ein umfassendes Wissen über die Mechanismen erfordert, die der Pathogenität zugrunde liegen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Fähigkeit zur Anpassung an die Eisenmangelbedingungen für die Virulenz von Pilzen essentiell ist. In den Meisten Pilzen ist das Siderophorsystem eine wichtige Komponente dieser Eisenmangeladaption. Da weder Tiere noch Pflanzen das Siderophorsystem besitzen, stellt es ein vielversprechendes Ziel für die Entwicklung neuer antimykotischer Therapien dar. Darüber hinaus schlagen wir vor, dass die zellulären Komponenten, die die Eisenhomöostase regulieren, ausgezeichnete Ziele für neue Antimykotika sind. Das ursprüngliche Ziel dieses Projekts war die Charakterisierung der Rolle der Proteinkinase TORC1 in der Anpassung des pathogenen Schimmelpilzes Aspergillus fumigatus an Eisenmangel. Darüber hinaus führten die Studien zur Charakterisierung zentraler Aspekte der Regulation der Eisenhomöostase in Aspergillus fumigatus. Die Quantifizierung der Phosphorylierung von TORC1-Zielen und Transkriptlevels verschiedener ribosomaler Proteinen hat gezeigt, dass die Proteinkinase TORC1 unter Eisenmangel inaktiviert wird und durch Eisensupplementierung aktiviert wird. Diese Studien zeigten, dass die klassische Eisenantwort (transkriptionelle Aktivierung von Eisen- abhängigen Stoffwechelwegen) extrem schnell agiert (Sekunden bis Minuten), während TORC1-vermittelte Aktivierung verzögert auftritt (ca 30 Minuten). Wir haben hierzu eine Genom-weite Transkriptomanalyse durchgeführt, die helfen soll zwischen TORC1- und Eisen-vermittelter Regulation zu unterscheiden. Wir glauben, dass das Verständnis der funktionellen Verbindungen zwischen dem Eisenstoffwechsel und dem TORC1-Signalweg neue Wege zur Bekämpfung von Pilzinfektionen eröffnen wird. In einem weiteren Ansatz haben wir unser Wissen über die Kontrolle der Eisenhomöostase aus proteomischer Sicht stark erweitert. Eine umfassende Proteomanalyse mit einem A. fumigatus Wildtyp-Stamm unter verschiedenen Eisenbedingungen zeigte unter anderem, dass der Hauptkoordinator der Eisenmangeladaptierung, der Trankriptionsfaktor HapX, auf Proteinebene ein extrem kurze Halbwärtszeit hat und proteolytisch abgebaut wird. Diese Daten wurden durch Generierung eines HapX-spezifischen Antiserums und Westernblotanalyse bestätigt. DarüberhinaushabenwirKomponenten diesesposttranslationalen Regulationsmechanismuses identifiziert. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass Eisen auch die Stabilität der hapX-mRNA reguliert und dass eine Überexpression dieses Schlüsseleisenregulators schädlich für die Zelle ist. Zusammengefasst zeigen unsere Ergebnisse, dass Eisen die TORC1-Aktivierung beeinflußt, während TORC1 anscheinend keinen Einfluss auf die transkriptionelle Antwort von klassischen Eisen-regulierten Genen hat. Darüber hinaus zeigen wir, dass der Transkriptionsfaktor HapX mehreren Kontrollebenen unterliegt, um eine ausgewogene Regulation der Eisenhomöostase in A. fumigatus zu gewährleisten