Die Untersuchung der biologischen Funktion des antifungalen Proteins AnAFP aus Aspergillus niger im systembiologischen Ansatz
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Antimikrobielle Peptide werden als vielversprechende Alternativen zu herkömmlichen Antibiotika zur Bekämpfung von mikrobiellen Krankheitserregern diskutiert. Sie kommen in allen Lebensformen vor und dienen oft als Abwehrmoleküle gegen Nährstoffkonkurrenten. Diese Studie konzentrierte sich auf das antimikrobielle Peptid AnAFP aus dem filamentösen Ascomyceten Aspergillus niger, um herauszufinden, ob es eine zusätzliche intrazelluläre Funktion ausüben könnte, die über die Wirtsabwehr hinausgeht. Unsere vorangehenden Arbeiten zeigten, dass das transkriptionelle Expressionsprofil von anafp mit der Expression von Genen korreliert, die potenzielle Funktionen in der Autophagie, des Nährstoffrecyclings und der asexuellen Entwicklung ausüben. Wir vermuteten daher, dass AnAFP in Reinkulturen von A. niger als Kannibal-Toxin fungieren könnte, um unter nährstofflimitierenden Bedingungen kontrollierten Zelltod und damit die asexuelle Entwicklung des Pilzes zu fördern. Um dies zu überprüfen, wurden verschiedene methodische Ansätze aus Systembiologie und synthetischer Biologie (RNAseq, Genkoexpressionsnetzwerke, Genschalter), Mikroskopie (Fluoreszenz- und Lichtmikroskopie, In-vivo-Bildgebung mittels konfokaler Laserscanning- Mikroskopie), Bioreaktorkultivierung (kontrollierte Submerskultivierung) und Proteinchemie (HPLC, FPLC, Massenspektrometrie) genutzt. Damit konnten wir die zeitliche und örtliche Dynamik der anafp-Expression im Myzel von A. niger untersuchen und studieren, wie dieses Expressionsprofil mit dem Lebenszyklus dieser Pilzspezies, speziell unter Kohlenstofflimitierung zusammenhängt. Wir konnten aufdecken, dass (i) die Expression des anafp-Gens in ein Netzwerk von 1349 Genen eingebettet ist, von denen viele eine Funktion beim Transport und Abbau von Kohlenhydraten, Proteinen, Lipiden und Nukleobasen sowie bei der asexuellen Entwicklung haben, (ii) eine vorzeitige anafp-Transkription das Wachstum von A. niger verringert, (iii) die anafp-Translation von regulatorischen Sequenzen innerhalb seiner mRNA abhängt, (iv) AnAFP an der Zelloberfläche einzelner Hyphenkompartimente und Lufthyphen lokalisiert, und (v) erhöhte AnAFP-Mengen Autophagie aber nicht Apoptose vorzeitig auslösen, was mit einer Verringerung der Hyphen-Durchmesser einzelner Hyphen einhergeht. Auf der Grundlage dieser und weiterer Daten kommen wir zu dem Schluss, dass AnAFP eine wichtige Rolle für das Überleben von A. niger bei Kohlenstoffmangel spielt. Wir vermuten, dass das Peptid das vegetative Wachstum und die asexuelle Entwicklung ausgewählter Hyphenkompartimente durch autophagisches Recycling von benachbarten Hyphenkompartimenten fördert. Wir gehen daher davon aus, dass AnAFP in der Tat als pilzliches Kannibal-Toxin betrachtet werden kann, welches in ein intrazelluläres Nährstoffmobilisierungs- und Recyclingprogramms eingebettet ist, welches selektiv einige Hyphenkompartimente lysiert, um das Überleben der gesamten Kolonie in Phasen von Kohlenstoffmangel sicherzustellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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High-quality co-expression networks for accurate gene function predictions in the fungal cell factory Aspergillus niger and beyond. openRxiv.
Schäpe, Paul; Starke, Stephan; Schuetze, Tabea; Basenko, Evelina; Jung, Sascha; Cairns, Timothy & Meyer, Vera
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Unraveling the Role of the Antifungal Peptide AnAFP in Aspergillus niger through a Systems Biology Perspective. Doktorarbeit TU Berlin
Stephan Starke
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The antifungal peptide AnAFP from Aspergillus niger promotes nutrient mobilization through autophagic recycling during asexual development. Frontiers in Microbiology, 15.
Starke, Stephan; Velleman, Laura; Dobbert, Birgit; Seibert, Luis; Witte, Jordi; Jung, Sascha & Meyer, Vera
