Die kombinatorische Regulation eines Transkriptions-Netzwerks reguliert die Pflanzeninfektion von Ustilago maydis
Creators: name: Ulrich, Jonas
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2020
Subjects: Ustilago maydis
Rbf1
Genregulation
RNA-Seq
ChIP-Seq

description: Der Basidiomyzet Ustilago maydis besitzt einen dimorphen Lebenszyklus, bei dem sexuelle und pathogene Entwicklung eng miteinander verknüpft sind und in Verbindung mit der Wirtspflanze Mais ablaufen. Die komplexen Entwicklungsveränderungen müssen streng reguliert werden und erfordern die Integration verschiedenster Signalwege. Der Wechsel von hefeartigem, saprophytischem Wachstum zur Ausbildung des pathogenen dikaryotischen Filaments wird durch ein eng verbundenes Netzwerk aus Transkriptionsfaktoren kontrolliert. Dieses Netzwerk integriert die Pheromon-Perzeption zweier kompatibler Sporidien, wodurch die Zellfusion ermöglicht wird, sowie den anschließenden Beginn der biotrophen Entwicklung durch die Bildung des heterodimeren bE/bW-Transkriptionsfaktorkomplexes. Das bE/bW-Heterodimer löst eine Regulationskaskade aus, die maßgeblich vom Master-Regulator Rbf1 gesteuert wird. Während der Pflanzenpenetration wird die Funktion beider Proteine durch die Wechselwirkung mit Clp1 gehemmt; zu einem späteren Zeitpunkt ist die Expression des "Hauptreglers" Rbf1 nicht mehr nachweisbar. Die b-Kaskade wird weitestgehend reprimiert. Die Expression von bE/bW allein reicht aus, um eine pathogene Entwicklung auszulösen. Die ektopische Expression von Rbf1 löst die initialen Schritte der pathogenen Entwicklung aus. Das betont die zentrale Rolle beider Faktoren. Durch eine Kombination von RNA- und ChIP-Seq Analysen konnte ich die komplexe Kontrolle von Genen durch bE/bW, Rbf1 und Hdp1 während des Übergangs zur pathogenen Entwicklung zeigen. Sowohl Promotor-Bindung als auch Expressionsdaten zeigen eine komplexe Kontrolle durch bE/bW-Rbf1 und Hdp1-Rbf1 Interaktion und damit verbundene kombinatorische DNA-Bindung. Hdp1 beeinflusst sowohl die prf1- als auch die b-Expression und reagiert sowohl auf Pheromon-Signale als auch auf die Zellfusion und verbindet die b-Kaskade weiter mit dem über Prf1 gesteuerten Pheromon-Signalweg. Die beiden für die Pflanzeninfektion essentiellen Transkriptionsfaktoren Biz1 und Hdp2 übernehmen zu einem späteren Zeitpunkt die zentrale Funktion von Rbf1. Ustilago maydis verwendet unterschiedliche kombinatorisch wirkende Regulatoren um die verschiedenen Signale vor und nach der Infektion der Pflanze zu integrieren und/oder zu differenzieren. Das transkriptionelle Netzwerk, das die Transition von saprophytischem zu biotrophem Wachstum reguliert, ist hierarchisch aufgebaut und lässt sich in Entwicklungsstadium-abhängige Module aufgliedern, die ihrerseits wiederum hierarchisch gegliedert sind. Aufeinanderfolgende Wellen von Transkriptionsfaktoren regulieren gemeinsam die kritischen Veränderungen die mit der Lebensweise von Ustilago maydis einhergehen. Darüber hinaus konnte in dieser Arbeit der Grundstein für ein CrisprCas basiertes System zur Anreicherung spezifischer DNA-Bereiche mit assoziierten Molekülen gelegt werden. In weiterführenden Experimenten, bei denen die „gene centered“ Analyse von DNA-bindenen Proteinen im Vordergrund steht, wird es möglich sein, weitere Knotenpunkte des Netzwerks zu identifizieren und darüber hinaus die Integration von essentiellen pflanzenspezifischen Signalen zu verstehen.