Strukturelle und funktionelle Analysen von GPCRs und der G-Protein-Signaltransduktion während der Wirts-Pathogen-Interaktion von Ustilago maydis

• Antragsteller: Dr. Florian Altegoer
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551864487

Mikroorganismen haben ausgeklügelte Strategien entwickelt, um ihre Umwelt wahrzunehmen und mit ihr zu kommunizieren. Pflanzenassoziierte Pilze leben oft eng verbunden mit ihren jeweiligen Wirten und bilden dafür eine Interaktionszone aus, die einen umfangreichen Crosstalk zwischen den Organismen ermöglicht. Dabei findet ein ständiger Austausch von z. B. Nährstoffen, Stoffwechselprodukten und Proteinen statt. Wie Pilze diese Signale allerdings wahrnehmen und darauf reagieren, ist bisher kaum verstanden. Daher haben wir in diesem Projekt nun Sequenz- und strukturell-bioinformatische Analysen kombiniert, um einen Katalog von Membranproteinen des Pflanzenpathogens Ustilago maydis zu erstellen, die während der Kolonisierung des Wirts Zea mays produziert werden. Über diese Untersuchung fanden wir mehr als 30 bisher uncharakterisierte Proteine, die eine strukturelle Ähnlichkeit mit 7-transmembranhelikalen G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) aufweisen. Dies geht weit über die bisherige Zahl von 7 vermuteten GPCRs in U. maydis hinaus. Darüber hinaus besitzt U. maydis vier G-Untereinheiten, von denen eine, Gpa3 genannt, nachweislich entscheidend für die Entwicklung des Pilzes und die Pflanzenbesiedlung ist. Die an Gpa3 gekoppelten GPCR konnten jedoch noch nicht identifiziert werden und Details über die dynamische Integration extrazellulärer Signale über den cAMP-Signalweg fehlen. Auf der Grundlage unserer identifizierten GPCR-Kandidaten und mit Hilfe der Modellierung von Strukturkomplexen haben wir nun drei GPCRs identifiziert, die ihre Signale wahrscheinlich über Gpa3 übertragen und Glp6, Glp11 und Glp12 genannt wurden. Deletionsstämme der einzelnen Rezeptor-kodierenden Gene zeigen Phänotypen, die mit der gpa3 Deletion vergleichbar sind. Mindestens ein Stamm weist außerdem reduzierte cAMP Level auf. Unser struktureller Ansatz bildet daher die Grundlage für eine eingehende Analyse der Signaldynamik der drei Gpa3-gekoppelten GPCRs. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie verschiedene extrazelluläre Signale über die dynamische Modulation des intrazellulären cAMP-Spiegels in zelluläre Reaktionen integriert werden können, und die genauen Ligandengruppen identifizieren, die die verschiedenen Rezeptoren aktivieren. Insgesamt bieten unsere Forschungsarbeiten daher die ersten mechanistischen Struktur-Funktions-Einblicke in die GPCR-vermittelte Wirtsanpassung von pflanzenpathogenen Pilzen und können möglicherweise alternative Ansätze für die Schädlingsbekämpfung aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen