title: Untersuchungen zum sexuellen Zyklus des humanpathogenen Schimmelpilzes Aspergillus fumigatus
title: Investigations on the sexual cycle of the human pathogenic mould Aspergillus fumigatus
Creators: name: Pazen, Tobias
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025

description: Der Ascomycet Aspergillus fumigatus ist der Hauptverursacher einer Vielzahl von Pilzinfektionen, die als Aspergillosen bezeichnet werden. Dabei entscheidet der Immunstatus der Patient/ -innen darüber, welche Krankheitsform sich ausbildet. Neben dem vegetativen Wachstum und ungeschlechtlicher Sporenbildung ist dieser Schimmelpilz in der Lage, unter bestimmten Umweltbedingungen einen sexuellen Zyklus einzuleiten und Fruchtkörper zu bilden. Das Wissen über diese sexuelle Reproduktion, die dabei beteiligten regulatorischen Komponenten und deren Rolle während einer Infektion ist bislang lückenhaft. Viele Eigenschaften von A. fumigatus, die für seine Entwicklung und das Wachstum in der Umwelt entscheidend sind, können als entscheidende Virulenzfaktoren während des Infektionsverlaufs im Wirt fungieren. Dies unterstreicht die Relevanz das Verständnis der Lebensstile, wie den sexuellen Zyklus, dieses opportunistischen Erregers zu erweitern. Die Sexualität von A. fumigatus wird durch ein bipolares Paarungstypsystem definiert, das auf einem idiomorphen Bereich im Genom verankert ist. Dieser enthält entweder das Gen MAT1-1-1 oder MAT1-2-1, welche für Regulatoren des sexuellen Zyklus kodieren. Eine erfolgreiche Paarung ist nur möglich, wenn zwei Partner unterschiedlichen Paarungstyps bzw. Geschlechts vorhanden sind. Eine zentrale Fragestellung dieser Arbeit ist, ob der Paarungstyp eines opportunistischen Pilzerregers am Beispiel von A. fumigatus Einfluss auf dessen Virulenz haben kann. Dazu wurden unter anderem die zellulären Abläufe des sexuellen Lebensstils dieses Pilzes betrachtet. Die durchgeführten Experimente konnten einen Einfluss der sexuellen Regulatoren auf die Virulenz des Pilzes zeigen: Eine Deletion der Gene MAT1-1-1 und MAT1-2-1 führte im Infektionsversuch mit Galleria mellonella zu einer verminderten Virulenz. Anhand der Transkriptionsprofile von Stämmen, die die Hauptregulatoren des sexuellen Zyklus verstärkt exprimieren, konnte ein annotiertes Gen (AFUA_4G06110) identifiziert werden, das für ein hypothetisches Protein kodiert. Dieses als tomA (target of MAT1-1) bezeichnete Gen ist in seiner Expression direkt abhängig von Regulatoren des sexuellen Zyklus. Dabei bindet MAT1 1-1 spezifisch in der Promotorregion von tomA, um dessen Expression zu induzieren. Eine zelluläre Funktion des tomA-Genprodukts wurde mittels Deletionen in beiden Paarungstypen untersucht. Eine gleichzeitig vorliegende Deletion in beiden MAT1-Hintergründen führte zur Sterilität und hebt die Rolle des tomA-Gens in der Fruchtkörperbildung von A. fumigatus hervor. Untersuchungen von Stämmen mit GFP-markiertem TomA stellen dessen Lokalisierung im Nucleolus dar, was die Funktionalität einer abgeleiteten Kernlokalisierungssequenz in der kodierenden Sequenz von tomA unterstützt. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zum bisher unbekannten a-Faktor-ähnlichen Pheromon von A. fumigatus durchgeführt. Pheromone und Pheromonrezeptoren spielen eine wichtige Rolle in Ascomyceten zum Einleiten und für den Ablauf des sexuellen Zyklus. In Aspergillen ist bislang ein Pheromon/Rezeptor-Paar hinreichend definiert und charakterisiert, für das zweite Paar ist die Identität des entsprechenden Pheromons ungeklärt. Die Arbeiten dieser Dissertation konnten erstmals die Existenz eines a Faktor ähnlichen Pheromons, das von MAT1-2-Stämmen des Pilzes A. fumigatus sekretiert wird, mithilfe eines heterologen Testsystems in der Hefe Saccharomyces cerevisiae nachweisen. Die Sekretion dieses Peptides ist dabei abhängig von MAT1-2-1, wie Vergleichsstudien eines MAT1-2-1-Überexpressionsstammes mit dem entsprechenden Wildtyp-Isolat zeigen. Die erhaltenen Daten schließen diverse Lücken im Gesamtbild des sexuellen Zyklus von A. fumigatus und deuten auf eine klinische Relevanz dieses Fortpflanzungsweges hin. Weiterführende Charakterisierungen bislang uncharakterisierter Komponenten und bekannter Regulatoren könnten dabei Ansatzpunkte für neue Therapieansätze zur Behandlung von Pilzinfektionen liefern.
description: The ascomycete Aspergillus fumigatus is the major causative agent of a variety of fungal infections, termed as aspergillosis. The immune status of the patient is important in determining which disease form becomes manifest. Besides vegetative growth and asexual sporulation, this mold is capable to enter a sexual cycle and to form fruiting bodies under specific environmental conditions. Knowledge about the sexual lifestyle, regulatory components, and the role during infection remains incomplete. Many features of A. fumigatus that are crucial for its development and growth in its environmental niche may act as virulence factors during infection in the host. This highlights the need for a more detailed understanding of this pathogen’s lifestyle. A. fumigatus sexuality is governed by a bi-polar mating-type system that includes idiomorphic regions, in which each mating-type alternatively contains the master regulator encoding gene MAT1-1-1 or MAT1-2 1. Successful mating is only possible when both mating partners are present. One goal of this work is to address the question whether the mating-type of an opportunistic fungal pathogen might have an influence on its virulence. For this purpose, the sexual cycle of A. fumigatus and known as well as of uncharacterised regulatory components were explored. In experimental infection series the influence of the sexual master regulators on the virulence could be shown. Deletion of the MAT1-1-1 or MAT1 2 1 gene resulted in reduced virulence of the respective mutant strain in Galleria mellonella infections. Making use of transcriptional profiles from strains overexpressing the master regulators, an annotated gene (AFUA_4G06110) encoding a hypothetical protein was identified. Expression of this gene, designated as tomA (target of MAT1-1), depends on the sexual master regulators as demonstrated in strains carrying mating-type gene deletions. Here, this dependency and the interaction of MAT1-1-1 with the tomA promotor region could be shown via fluorescence microscopy. To assign any cellular function of the tomA gene product, the tomA gene was deleted in both mating-types. Deletion in both MAT1-backgrounds resulted in sterility to imply a fundamental role of the tomA gene in fruiting body formation. Inspection of strains expressing GFP-tagged TomA revealed its localization in the nucleolus, supporting the functionality of a deduced nuclear localization sequence in the tomA coding region. From these results, it is concluded that TomA appears to be crucial for sexual reproduction of A. fumigatus. In addition, studies were performed on the previously unknown a-factor-like pheromone of A. fumigatus. Pheromones and pheromone receptors play a key role in ascomycetes for the initiation and progression of the sexual cycle. In aspergilli, one pheromone/receptor pair has been defined and adequately identified, while the identity of the second pheromone remains unknown. This work is the first that demonstrates the existence of an a-factor-like pheromone from A. fumigatus MAT1-2 strains using a heterologous test system in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Secretion of this peptide depends on MAT1-2-1, as shown by observations comparing the MAT1-2-1 overexpression strain with the corresponding wild-type isolate. Further characterization of the peptide is pending, but its existence alone fills a significant gap in the overall understanding of A. fumigatus sexuality. The presented data add to the overall understanding of A. fumigatus sexuality and imply clinical relevance of this reproduction strategy. Further characterizations of the new components and known regulators could provide starting points for new therapeutic methods addressing Aspergillus infections.