Functional Genomics-Analysen der Morphogenese bei Pilzen

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 verschiedenen 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:
Histon-Chaperone sind Proteine, die am Auf- und Abbau von Nukleosomen beteiligt sind und daher alle DNA-abhängigen Prozesse beinflussen, u.a. Transkription, DNA-Replikation und DNA-Reparatur. ASF1 ist ein Histon-Chaperon, das in Eukaryoten konserviert ist. Im Unterschied zu den meisten anderen vielzelligen Organismen ist die Deletion des asf1-Gens in dem Pilz Sordaria macrospora nicht letal, allerdings ist die entsprechende Mutante steril. In einer aktuellen Studie konnten wir zeigen, dass die Histon-Binde-Aktivität von ASF1 essentiell für die Fertilität in Sordaria macrospora ist, wohingegen die Funktion von ASF1 in der Genomstabilität nicht von der Histon-Binde-Aktivität abhängt. Wir konnten weiterhin zeigen, dass die Histon-Modifikationen H3K27me3 und H3K56ac in der asf1-Mutante fehlreguliert sind. Weiterhin haben wir eine große Duplikation auf Chromosome 2 in der Mutante identifiziert, die genetisch mit dem delta-asf1-Allel gekoppelt ist, welches auf Chromosom 6 liegt. Dies deutet darauf hin, dass die Lebensfähigkeit der Mutante von der Präsenz der duplizierten Region abhängt. In einer anderen Studie haben wir zwei Gene analysiert, die für Chromatin-assoziierte Proteine kodieren. rtt109 kodiert für eine Histon-Acetyltransferase, und Deletion dieses Gens in Sordaria macrospora führt zu einem Phänotyp, der dem der delta-asf1-Mutante ähnlich ist, wohingegen chk2 an anderen Aspekten der Antwort auf DNA-Schäden, aber nicht an Entwicklungsprozessen beteiligt ist.

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.
In einer Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Dominik Begerow (Universität Hamburg) und als Teil des 1000 Fungal Genomes Project haben wir vor Kurzem die Genome von zwei Stämmen des Basidiomyceten Filobasidium floriforme sequenziert. Die Art gehört zur wenig untersuchten Ordnung Filobasidiales, die phylogenetisch basal zu den Ordnungen Tremellales, Trichosporonales und Holtermanniales ist. Die Genome der Stämme CBS6241 und CBS6242 sind ca. 27 Mb groß und wurden in Bezug auf die Kreuzungstyploci (MAT) und auf CAZyme-kodierende Gene hin untersucht.

Publikationen:

Breuer J, Ferreira DEA, Kramer M, Bollerman J, Nowrousian M (2024) Functional analysis of chromatin-associated proteins in Sordaria macrospora reveals similar roles for RTT109 and ASF1 in development and DNA damage response. G3 (Bethesda) 14: jkae019 Paper at G3

Breuer J, Busche T, Kalinowski J, Nowrousian M (2024) Histone binding of ASF1 is required for fruiting body development but not for genome stability in the filamentous fungus Sordaria macrospora. mBio 15: e0289623 Paper at mBio

Guerreiro MA, Ahrendt S, Pangilinan J, Chen C, Yan M, Lipzen A, Barry K, Grigoriev IV, Begerow D, Nowrousian M (2022) Draft genome sequences of strains CBS6241 and CBS6242 of the basidiomycetous yeast Filobasidium floriforme. G3 (Bethesda) 12: jkab398, doi: 10.1093/g3journal/jkab398 Paper at G3

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