Neue molekulare Mechanismen des Eisen-Sensing und der Eisenhomöostase in Pilzen

Eisen ist ein essentielles Spurenelement, welches aber im Überschuss toxisch wirkt. Dieses Metall spielt eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie, da Pathogene während der Infektion meist mit Eisenmangel konfrontiert sind. Die Fähigkeit, sich an diese Bedingungen anzupassen, stellt damit eine grundlegende Eigenschaft der meisten Krankheitserreger dar. Aufgrund der fundamentalen Unterschiede zwischen den Mechanismen, die der Aufrechterhaltung der Eisenhomöostase von Wirten und Krankheitserregern dienen, bietet der Eisenstoffwechsel ein attraktives Ziel für die Verbesserung von Diagnose und Bekämpfung von Infektionen durch Pilze - allerdings ist hierzu ein noch besseres Verständnis der pilzlichen Eisenhomöostase auf molekularer Ebene notwendig. In den meisten Pilzen, wie auch in dem häufigsten Krankheitserreger unter den Schimmelpilzen, Aspergillus fumigatus, spielt der Transkriptionsfaktor HapX eine zentrale Rolle in der Anpassung an Eisenmangel und damit auch in der Virulenz. HapX entfaltet seine Wirkung über die Interaktion mit einem zweiten Regulator, dem CCAAT- Bindungskomplex (CBC). Unsere neuesten Studien zeigten, dass HapX zusätzlich für die Anpassung an Eisenüberschuss, sprich die Entgiftung von Eisen, essentiell ist. Diese Daten unterstreichen, dass HapX als Sensor des zellulären Eisenstatus fungiert. Das Ziel dieses kollaborativen Projektes zwischen Genetikern, Biochemikern und Strukturbiologen ist die Aufklärung der Funktionen des CBC/HapX Komplexes auf molekularer Ebene, sowohl als Eisen-Sensor, transkriptioneller Repressor und Aktivator, sowie als Promoter-Organisator. Dazu erfolgen in vivo und in vitro Analysen in Kombination mit kristallographischen Untersuchungen der betreffenden Protein/Protein bzw. Protein/DNA Komplexe und tragen somit zur Aufklärung dieser neuartigen regulatorischen Mechanismen in Eukaryoten bei.

Eisen ist ein essentielles Spurenelement, welches aber im Überschuss toxisch wirkt. Dieses Metall spielt eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie, da Pathogene während der Infektion meist mit Eisenmangel konfrontiert sind. Die Fähigkeit, sich an diese Bedingungen anzupassen, stellt damit eine grundlegende Eigenschaft der meisten Krankheitserreger dar. Aufgrund der fundamentalen Unterschiede zwischen den Mechanismen, die der Aufrechterhaltung der Eisenhomöostase von Wirten und Krankheitserregern dienen, bietet der Eisenstoffwechsel ein attraktives Ziel fur die Verbesserung von Diagnose und Bekämpfung von Infektionen durch Pilze. In den meisten Pilzen, wie auch in dem häufigsten Krankheitserreger unter den Schimmelpilzen, Aspergillus fumigatus, spielt der Transkriptionsfaktor HapX eine zentrale Rolle in der Anpassung an Eisenmangel und damit auch in der Virulenz. HapX entfaltet seine Wirkung uber die Interaktion mit einem zweiten Regulator, dem CCAAT-Bindungskomplex (CBC). Durch die Kombination von Genetik, Biochemie, Zellbiologie und Strukturbiologie konnten wir in diesem Kollaborationsprojekt zeigen, daß der HapX-CBC Komplex zusätzlich fur die Anpassung an Eisenuberschuß, sprich die Entgiftung von Eisen, essentiell ist und somit sowohl als Aktivator wie auch als Repressor der Genexpression agiert. Des Weiteren konnte der molekulare Messfuhler-Mechanismus für den zellulären Eisengehalt charakterisiert werden. Im Detail konnten (i) HapX Proteindomänen identifiziert werden, die für die Anpassung an Eisenmangel beziehungsweise Eisenüberschuß wichtig sind, (ii) die DNA-Bindung des CBC-HapX Komplexes charakterisiert werden, (iii) zusätzliche zelluläre Komponenten des zellulären Eisen-Sensors identifiziert werden (Monothiol-Glutaredoxin, Glutathion). Zudem konnte gezeigt werden, daß das Eisensignal aus der mitochondrialen Eisen-Schwefel-Cluster-Biosynthese stammt. Zusätzlich konnte die zentrale Bedeutung der Eisenregulation im Pilzmetabolismus untermauert werden. Diese Studien charakterisierten deren Rolle im Sekundärmetabolismus, in der Ergosterolbiosynthese, der Azolresistenz, der Wechselwirkung mit der Leucinbiosynthese, sowie in der Interaktion mit anderen Mikroben und dem tierischen Wirt. Die Resultate unterstreichen den Mehrwert einer interdisziplinären Kollaboration; die analysierten molekularen Mechanismen fördern das Verständnis für den Pilzstoffwechsel. Dies ist wichtig für die Verbesserung der antimykotischen Therapie sowie für die Nutzung von Schimmelpilzen in der Biotechnologie.