Functional Genomics-Analysen der Morphogenese bei Pilzen

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Projektgruppe (Leitung: Minou Nowrousian) am Lehrstuhl für Molekulare und Zelluläre Botanik der Ruhr-Universität Bochum.

Die meisten Pilze wachsen in Form von Hyphen, dabei handelt es sich um lange, verzweigte Zellfäden. Diese können zu komplexen Strukturen aggregieren, z.B. zu Fruchtkörpern, in denen Sporen gebildet werden. Wir untersuchen die genetische Basis dieser Differenzierungsprozesse. Zu diesem Zweck analysieren wir Mutanten, die in frühen Stadien der Fruchtkörperentwicklung gehemmt sind, und vergleichen die Genexpression in den Mutanten mit der des Wildtyps mittels Laser-Mikrodissektion in Kombination mit RNA-Seq und quantitativer Real-Time-PCR. Weiterhin vergleichen wir die Genexpression in verschiedenen Pilzen untereinander, um evolutionär konservierte Expressionsmuster zu identifizieren. Gene mit gleicher Regulation in verschiedenen Spezies können dazu genutzt werden, eine zentrale Gruppe von Genen zu definieren, die an der pilzlichen Fruchtkörperbildung beteiligt sind.

In einem zweiten Projekt untersuchen wir die Evolution der Kreuzungstyp-Gene in den Tremellomycetes, einer Gruppe von Basidiomyceten mit vielen Arten, die als Hefen (einzellige Pilze) wachsen. Es wird vermutet, dass Basidiomyceten ursprünglich tetrapolar sind, d.h. es gibt in jedem Stamm zwei nicht-gekoppelte (unabhängig vererbte) Kreuzungstyp-Loci. Allerdings gibt es eine Reihe von Basidiomyceten, in denen die zwei Kreuzungstyp-Loci gekoppelt auf demselben Chromosom vorliegen. Diese Anordnung bietet bessere Möglichkeiten, einen kompatiblen Kreuzungspartner zu finden, wenn nur wenige Kreuzungspartner zur Verfügung stehen, z.B. im Fall von pathogenen Arten auf ihrem Wirt. Im Moment fokussieren wir uns auf die Ordnung Trichosporonales, in der alle bisher analysierten Stämme gekoppelte Kreuzungstyp-Loci in einer evolutionär konservierten genomischen Anordnung aufweisen.

Weitere Details zu diesen Projekten gibt es auf der Projektseite und in einigen Publikationen.

Neue Ergebnisse aus unseren Projekten:

Entwicklung komplexer multizellulärer Strukturen in Ascomyceten: Wir haben die Funktion der Entwicklungsgene asf1 und pro44 in Sordaria macrospora mittels RNA-seq, MNase-seq, BS-seq, Fluoreszenz-Mikroskopie und Protein-Protein-Interaktionsstudien detailliert untersucht. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die beiden Gene verschiedene Aspekte der sexuellen Entwicklung regulieren, obwohl sie im gleichen Stadium der Fruchtkörperentwicklung benötigt werden. Während asf1 als Suppressor von schwach exprmierten Genen während der Morphogenese agiert, zeigten Transkriptom-Analysen in jungen Fruchtkörpern, dass pro44 für die korrekte Expression von Genen benötigt wird, die in den extrazellulären Metabolismus involviert sind. Die Deletion des putativen Transkriptionsfaktor-Gens asm2, das in jungen Fruchtkörpern der pro44 Mutante herunterreguliert ist, führte zu Defekten in der Ascosporen-Bildung.
Parallel zu diesen Analysen haben wir die Genome und entwicklungsabhängigen Transkriptome der drei Ascomyceten Ascodesmis nigricans, Pyronema confluens und Sordaria macrospora analysiert, um Gene zu identifizieren, deren Expressionsmuster während der vielzelligen Entwicklung konserviert ist. Das Ascodesmis nigricans Genom, das im Rahmen dieser Untersuchungen sequenziert wrude, ist Teil des 1000 Fungal Genomes Project. Wir konnten 83 Gene identifizieren, die währen der Fruchtkörperentwicklung in allen drei Pilz-Arten hochreguliert sind. Darunter sind 23 Gene mit vorhergesagter Funktion im Vesikeltransport, dem Endomembransystem, oder dem Transport durch Membranen, sowie 13 Gene mit vorhergesagter Funktion in der Chromatin-Organisation oder Regulation der Genexpression. Die funktionelle Charakterisierung von vier dieser Gene zeigte, dass drei der Gene eine Rolle in der vielzelligen Entwicklungs spielen, darunter zwei, die vermutlich für Chromatin-Modifier kodieren.

Evolution von Kreuzungstypgenen in Basidiomyceten: In einer Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Joseph Heitman (Duke University, USA) haben wir die sogenannten Kreuzungstypgene in den Trichosporonales, einer bisher noch wenig untersuchten Gruppe von Basidiomyceten, untersucht. Dabei zeigte sich, dass dass alle untersuchten Trichosporonales-Arten fusionierte Kreuzungstyp-Loci besitzen, die allerdings andere Eigenschaften haben als die bereits bekannten fusionierten Kreuzungstyp-Loci von anderen Basidiomyceten. So ist sowohl die Anordnung der Gene in den fusioinierten Loci in den Trichosporonales als auch die Sequenzen der Gene extrem konserviert, im Unterschied zu den fusionierten Kreuzungstyp-Loci in anderen Basidiomyceten. Dies ist ungewöhnlich, da Kreuzungstyp- wie auch Sex-Chromosomen oft im Laufe der Evolution degenerieren.

Publikationen:

Lütkenhaus R, Traeger S, Breuer J, Carreté L, Kuo A, Lipzen A, Pangilinan J, Dilworth D, Sandor L, Pöggeler S, Gabaldón T, Barry K, Grigoriev IV, Nowrousian M (2019) Comparative genomics and transcriptomics to analyze fruiting body development in filamentous ascomycetes. Genetics 213: 1545-1563 Abstract Paper at Genetics

Schumacher DI, Lütkenhaus R, Altegoer F, Teichert I, Kück U, Nowrousian M (2018) The transcription factor PRO44 and the histone chaperone ASF1 regulate distinct aspects of multicellular development in the filamentous fungus Sordaria macrospora. BMC Genetics 19: 112 Paper at BMC Genetics

Sun S, Coelho MA, Heitman J, Nowrousian M (2019) Convergent evolution of linked mating-type loci in basidiomycete fungi. PLoS Genet 15: e1008365 Paper at PLoS Genetics