title: Gene expression in Phycomyces blakesleeanus after light and gravity stimulation
title: Gene expression in Phycomyces blakesleeanus after light and gravity stimulation
title: Genexpression in Phycomyces blakesleeanus nach Licht- und Gravistimulation
Creators: name: Seger, Norman-Ditmar
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Genexpression
Biowissenschaften, Biologie
gene expression
fungi
light

description: Light is one of the most powerful
      abiotic factors triggering a multitude of developmental key
      processes of fungal biology and lifecycle. The filamentous
      fungus Phycomyces blakesleeanus has been a model organism in
      sensory physiology since more than 50 years. Therefore a
      linear flow of light information from sensors to effectors
      was assumed. Since the isolation and characterization of
      behavioral mad mutant strains and even more since the recent
      identification of the set of wc-photoreceptor genes (madA,
      madB) molecular approaches of photophysiology were able to
      advance. The counterparts of N. crassa White Collar-1/-2
      photoreceptors/transcription factors in P. blakesleeanus are
      the MADA and MADB proteins which form a photosensitive
      transcription factor complex (MAD complex) to govern many
      light-controlled processes in the fungus (Sanz et al., 2009).
      In this work 25 genes encoding mainly five different
      functional protein groups, the wc-type photoreceptors, heat
      shock proteins, RNA-/chromatin-modulating enzymes, the
      ß-carotene enzymes and constituents of the cytoskeleton were
      used to move a step further in light dependent gene
      expression to gain new insights about the regulatory role of
      the wc-type photoreceptor mutants madA and madB. Therefore, a
      protocol was developed that consisted of a pulse of actinic
      light, which gave a non saturating transcriptional response,
      measured by the method of qRT-PCR. Not only the
      characterization of the blue light responses in both wildtype
      and mad mutant strains came into the focus of these
      approaches, but also the search for red light and gravity
      responses on a transcriptional level. The gene expression in
      dark grown mycelia of the wildtype of P. blakesleeanus
      measured during an 11.5 hour time course shows different
      expression levels for each gene. The levels of expression are
      not correlated with a functional group of genes, indicating
      that the genes are individually regulated even in darkness.
      In the mad mutant strains the gene expression levels of more
      than half of the genes are different to the ones in the
      wildtype supporting this hypothesis and demonstrating the
      importance of the photosensitive transcription factor complex
      MAD. In contrast to the findings of N. crassa none of the
      genes show an endogenous rhythmicity of their expression. In
      the wildtype of P. blakesleeanus many of the analyzed genes
      (60 %) show a response after exposure to continuous or a
      pulse of blue light. These photoresponses are mainly a
      transcriptional activation but a suppression of gene
      expression was detected as well. Continuous light conditions
      can enhance the expression of 11 genes moderately, about
      three to 20-fold. After a pulse of it, the transcription of
      15 genes is increased. The photoactivation after a pulse of
      blue light can be divided into a strong (20-80-fold) or
      moderate increase of mRNA in the wildtype which do not
      correlate with a functional group of genes, indicating that
      the genes are individually regulated. As an empirical rule,
      the increase of transcript after blue light exposure is
      higher, the lower the dark expression level is. Four genes
      show a moderate decrease of their transcript after both blue
      light treatments. After a pulse of blue light none of the
      single mad mutant strains show a complete suppression of the
      photoactivation but strongly diverse mRNA levels of the light
      induced genes compared to the wildtype. Only in the double
      madAB or triple madABC mutant strains an abolished
      photoactivation of transcription could be detected. It shows
      the dominant role of the MAD complex on the one hand and
      suggests a more complex regulatory mechanism on the other. In
      addition to the blue light effects the influence of red light
      on transcription was investigated. Red light moderately
      modulates the gene expression, both positively and
      negatively. Some genes show photoreversible expression
      patterns after a pulse and continuous blue and red light. The
      time dependent red light effects on transcriptional level are
      different to the ones of blue light and for some genes show
      reverse patterns in the wildtype. For some genes mutation of
      the wc-type photoreceptors results in a more pronounced
      suppression after red than activation after blue light in the
      wildtype or increased transcription in the mutant strains
      while unaffected in the wildtype after a pulse of red light.
      The results demonstrate the complex regulatory mechanisms of
      gene expression in P. blakesleeanus suggesting the
      interaction of more than only the madAB photoreceptors. The
      expression patterns after bichromatic light treatments
      support the notation of other than wc-type photoreceptors
      being involved in transcriptional regulation. Gravity
      stimulation, for some genes, results in specific or transient
      expression changes in the wildtype, dramatically different to
      the ones in the madC and madABC triple mutant strains. These
      results underlie the central role of the madAB
      photoreceptors/transcription factors not only by integrating
      the light, but also the gravity signal as well and suggest
      the interaction of more than only the madAB photoreceptors in
      a gene regulation complex. A model of the gene regulation in
      P. blakesleeanus is presented with a set of proposal, as
      other photoreceptors and gene specific regulating
      elements.
description: Licht zählt zu den wichtigsten
      abiotischen Faktoren. Es steuert eine Vielzahl von
      Schlüsselprozessen der pilzlichen Biologie und des
      Lebenszyklus. Der filamentöse Pilz Phycomyces blakesleeanus
      ist seit mehr als 50 Jahren ein Modellorganismus der
      sensorischen Physiologie. Eine lineare
      Signaltransduktionskette vom Lichtrezeptor zu den Effektoren
      wurde bisher postuliert. Durch die Isolierung und
      Charakterisierung von Verhaltensmutanten (mad), aber
      besonders durch die Identifizierung der Gruppe der
      wc-Fotorezeptorgenen (madA, madB) konnten große Fortschritte
      in der molekularen Photophysiologie erzielt werden. Das
      Pendant der White Collar-1/-2
      Fotorezeptoren/Transkriptionsfaktoren in N. crassa sind in P.
      blakesleeanus die MADA- und MADB-Proteine, welche einen
      photosensitiven Transkriptionsfaktor-Komplex (MAD-Komplex)
      bilden, um multiple lichtkontrollierte Prozesse der
      pilzlichen Genese zu steuern (Sanz et al., 2009). In dieser
      Arbeit wurden, aus fünf differenten funktionellen
      Proteingruppen wie den WC-Typ Fotorezeptoren,
      Hitzeschock-Proteinen, RNA-/Chromatik-Modulierenden Enzymen,
      Zytoskelettkomponenten und Enzyme der ß-Karotinbiosynthese,
      25 Gene verwendet, um die Rolle der WC-Typ Fotorezeptoren in
      der fotoregulierten Genexpression näher zu untersuchen. Dazu
      wurde ein Protokoll entwickelt, in dem eine nicht saturierte
      transkriptionelle Änderung nach einem Puls von aktinischem
      Licht, mittels der qRT-PCR-Methode gemessen, determiniert
      wurde. Dabei stand nicht nur die blaulichtabhängige
      Transkriptionsänderung des Wildtyps und der mad-Mutanten im
      Vordergrund, sondern vor allem die Erforschung der
      Genexpression nach Rotlicht- und gravitropischer Stimulation.
      Die Genexpression von in Dunkelheit gewachsenen Myzelien des
      Wildtyps von P. blakesleeanus wurde über einen Zeitraum von
      11,5 Stunden gemessen. Sie zeigt differente transkriptionelle
      Niveaus der Gene. Diese korrelieren nicht mit ihren
      funktionellen Gruppen, was eine spezifische Genregulation
      postulieren lässt. In den mad-Mutanten ist die Transkription
      von mehr als der Hälfte der Gene verschieden von derjenigen
      des Wildtyps, was die Hypothese einer genspezifischen
      Regulation und die Wichtigkeit des photosensitiven
      Transkriptionskomplexes MAD untermauert. Im Gegensatz zu N.
      crassa konnte keine endogene Genexpressionsrhythmik
      nachgewiesen werden. Im Wildtypstamm von P. blakesleeanus ist
      nach einem Blaulichtpuls oder konstanterer
      Blaulichtbestrahlung die Transkription der meisten Gene (60
      %) verändert. Dabei wurden hauptsächlich
      Expressionsaktivierungen, aber auch Inhibitionen
      festgestellt. Konstante Blaulichtbestrahlung führt bei 11
      Genen zu einer moderaten, (3 bis 20-fachen), und bei 15 Genen
      zu einer starken (20 bis 80-fachen) transkriptionellen
      Induktion im Wildtyp. Diese unterschiedlichen Expressions-
      aktivierungen korrelieren nicht mit den funktionellen
      Gengruppen, was eine individuelle Genregulation vermuten
      lässt. Dabei gilt als empirische Regel, dass die Gene, mit
      dem geringsten Expressionsniveau in Dunkelheit, nach
      Blaulicht den höchsten Anstieg ihrer mRNA zeigen. In keinem
      der einfachen mad-Mutanten konnte nach einem Blaulichtpuls
      eine komplette Expressionsinhibition gemessen werden,
      vielmehr wurden stark vom Wildtyp abweichende
      Transkriptionsniveaus festgestellt. Nur in den Doppel-madAB-
      und Triple-madABC-Mutanten blieb eine Photo- aktivierung aus.
      Dies demonstriert die dominante Rolle des MAD-Komplexes
      einerseits und lässt einen komplexeren Regulationsmechanismus
      andererseits vermuten. Zusätzlich zu den transkriptionellen
      Blaulichteffekten wurde die Genexpression nach
      Rotlichtbestrahlung erforscht. Rotlicht moduliert die
      Transkription sowohl positiv als auch negativ. Einige Gene
      zeigen photoreversible Expressionsänderungen nach einem
      Rotlichtpuls oder nach konstanterer Rotlicht- bestrahlung.
      Die zeitabhängigen transkriptionellen Rotlichteffekte sind im
      Wildtyp abweichend von denen nach Blaulichtbestrahlung, wobei
      einige sogar gegenteilige Änderungen zeigen. Mutationen an
      den WC-Typ Fotorezeptorgenen führen nach Rotlichtbestrahlung
      bei einigen Genen zu einer stärkeren Inhibition der
      Genexpression als der entsprechenden Aktivierung nach
      Blaulicht im Wildtyp. Diese Ergebnisse verdeutlichen einmal
      mehr die Komplexität der Genregulation in P. blakesleeanus,
      welche die Beteiligung von mehr als nur den madAB
      Fotorezeptoren nahe legt. Die Expressionsänderungen nach
      bichromatischer Bestrahlung unterstreichen die Vermutung,
      dass weitere Fotorezeptoren in der transkriptionellen
      Regulation involviert sind. Gravitropische Stimulation führt
      bei einigen Genen im Wildtyp zu einer transienten
      Expressionsänderung, welche sich von der in den mad-Mutanten
      deutlich unterscheidet. Diese Ergebnisse unterstreichen die
      zentrale Rolle des MAD- Komplexes für die Genregulation nicht
      nur bei der Integration des Lichtsignals, sondern auch bei
      der des Schwerereizes, und deuten auf weitere regulatorische
      Elemente hin. Ein Genregulationskomplex-Modell mit
      genspezifischen regulatorischen Elementen und anderen
      Fotorezeptoren wird diskutiert.