Regulation der Mycotoxin Produktion durch Chromatinstruktur

Potenziell karzinogene Mykotoxine häufen sich in Lebens- und Futtermitteln vor allem durch Pilzinfektionen von Pflanzen und durch die Infektion von Lagerprodukten an. In den Schimmelpilzen selbst akkumulieren diese Pilzgifte, aber auch so bedeutende Metaboliten wie Antibiotika, während des Überganges vom aktiven Wachstum (Primärmetabolismus) zur Einstellung des Wachstums und Sporulation (Sekundärmetabolismus). Während über die Regulation der Gene und Gen-Cluster, die an der Bildung dieser Mykotoxine beteiligt sind, schon viel bekannt ist, ist es noch immer rätselhaft wie der Übergang von Primär- zu Sekundärmetabolismus molekular geschalten und ausgelöst wird. Während der Untersuchung von Genen, die in dem Schimmelpilz-Modellsystem Aspergillus nidulans an der Regulation der Chromatinstruktur beteiligt sind, hat sich herausgestellt, dass in einer Mutante, die das mögliche Gen für die Regulation einer sogenannten "Heterochromatin-Struktur" inaktiviert hatte (hepA), einige Gene, die in die Produktion von Sekundärmetaboliten (Mykotoxine, aber auch Antibiotika) involviert sind, zum "falschen" Zeitpunkt exprimiert werden. In Zusammenarbeit mit der Mykotoxin-Forschungsgruppe von Prof. Keller (Universität Wisconsin, USA) haben sich unsere vorläufigen Ergebnisse bestätigt, indem sich gezeigt hat, dass eine hepA Mutante den mykotoxin-negativen Phänotypen von laeA aufhebt. Da das LaeA Protein möglicherweise eine Funktion in der Modifikation von Chromatinkomponenten, den sogenannten "Histonen" hat, schlagen wir in diesem Forschungsprojekt vor, die Zusammenhänge von Mykotoxin Produktion und der Regulation der Chromatinstruktur auf Ebene der Histon-Modifikation genau zu untersuchen. Die Funktionsweise von HepA hängt vor allem von der Modifikation des Lysin-9 am Histon H3 (H3K9) ab, wobei verschiedene Acetylierungen (die aktivierend wirken) bzw. Methylierungen (die reprimierend wirken) auftreten können. Weitere Modifikationen treten auch am Lysin 4 von H3 (H3K4) auf, wobei hier die Methylierung eine aktivierende Rolle spielt, eine Rolle, die eventuell von einem Komplex, in dem LaeA sitzt, übernommen werden könnte, und von Prof. Keller in den USA untersucht wird. Unsere geplante Arbeit wird sich auf den Zusammenhang der verschiedenen H3K9 Modifikationen mit der Regulation der Sterigmatozystin Produktion konzentrieren. Ausgehend von unseren vorläufigen Ergebnissen stellen wir die Hyopthese auf, dass der Übergang von Primär- zu Sekundärmetabolismus mit der Veränderung von reprimierenden Chromatin-Modifikationen zu aktivierenden Chromatin-Modifikationen einhergeht. Diese Arbeiten könnten nicht nur die Existenz von bisher in Pilzen nicht beschriebenen, sondern nur in höheren Organismen gefundenen "fakultativen Heterochromatin" Strukturen dokumentieren, sondern auch neue Einsichten in einen Mechanismus liefern, wie der Übergang zu Sekundärmetabolismus und Mykotoxin Produktion allgemein reguliert ist.

Schimmelpilze produzieren eine Reihe von sogenannten "Sekundärmetaboliten" (SM) die sie gegen Umweltstress (z.B. UV Einstrahlung) oder Nahrungskonkurrenten (z.B. Bakterien) schützen. Für Mensch und Tier sind diese Stoffe potenziell giftig ("Mykotoxine"), da sie u.a. karzinogene Wirkung zeigen. Toxine aber auch andere SM wie Antibiotika oder cholesterin-senkende Statine häufen sich in Lebens- und Futtermitteln nach Pilzinfektionen von Pflanzen und Lagerprodukten an. Die Schimmelpilze scheiden die SM erst aus, nachdem das aktive Wachstum eingestellt und Sporulationsprogramme initiiert wurden. Die Genomsequenzierung von Schimmelpilzen hat gezeigt, dass im Regelfall alle Gene, die in die Biosynthese der SM involviert sind, in sogenannten "Toxin-Inseln" nebeneinander auf den Chromosomen sitzen und gemeinsam reguliert werden. Im Laufe dieses Projektes wurde ein neuer Regulationsmechanismus gefunden, der der koordinierten Regulation von verschiedenen "Toxin-Inseln" zugrunde liegt. Es konnte gezeigt werden, dass diese Regulation auf sogenannte "epigenetische" Modifikationen von Chromatinstrukturen basiert und dass während des aktiven Wachstums (Primärmetabolismus) die Toxin-Inseln durch eine dicht gepackte Heterochromatinstruktur stillgelegt sind. Wir konnten weiters zeigen dass diese repressive Struktur während der SM Produktion spezifisch nur innerhalb und nicht außerhalb der Toxin-Inseln aufgelöst wird. Außerdem führt die Ausschaltung von bestimmten Genen, die für die Heterochromatisierung verantwortlich sind, nicht nur zu einer erhähten SM Produktion, sondern auch dazu, dass bisher unbekannte Metaboliten im Schimmelpilz Aspergillus nidulans gebildet werden. Unsere Arbeiten haben daher einen vollkommen neuen Mechanismus der koordinierten Regulation von Toxinen und Antibiotika identifiziert der auch dazu benutzt werden kann, größere Ausbeuten von bekannten Stoffen, oder bisher unbekannte Metaboliten in Schimmelpilzen zu finden.