Rolle der Histonvariante H2A.Z in phytopathogenen Fusarien

Pilze der Gattung Fusarium gehören zu den am weitesten verbreiteten Pflanzenpathogenen und führen durch den Befall vieler industrieller Nutzpflanzen zu enormen Ernteverlusten. Darüber hinaus produzieren Fusarien ein breites Spektrum an Sekundärmetaboliten, u.a. Mykotoxine, welche die betroffenen Nutzpflanzen kontaminieren und so ein Gesundheitsrisiko für Mensch und Tier darstellen. Ein entscheidender Schritt für die Entwicklung effizienter und dauerhafter Strategien zur Vorbeugung von Mykotoxinbelastungen in Lebens- und Futtermitteln ist das Verständnis ihrer Regulation. Genexpression in Eukaryoten funktioniert im Kontext von Chromatin. Besonderes viel Aufmerksamkeit haben in den letzten Jahren Histonmodifikationen bekommen, welche sich mehr und mehr als Schlüsselfaktoren in der Regulation von Virulenz sowie der Biosynthese von Sekundärmetaboliten herausgestellt haben. Je nach Art der Modifikation (z.B. Acetylierung oder Methylierung) werden die darunterliegenden Gene an- oder ausgeschaltet. Unsere Arbeitshypothese basiert auf der Annahme, dass die Chromatinstruktur bedingt durch sich ändernde Histonmodifikationen flexibel ist und es dem Pilz so ermöglicht schnell auf sich verändernde Umweltbedingungen reagieren zu können. Obwohl H2A.Z oft in Zusammenhang mit aktiven Genen gebracht wird, wurde der Rolle der Histonvariante H2A.Z bisher nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Ihre genaue Funktion in Pilzen ist bis dato noch weitgehend ungeklärt. Die Rolle von H2A.Z sowie ihr Zusammenspielmit bekanntenHistonmodifikationen in den zwei Pflanzenpathogenen Fusarium fujikuroi und Fusarium graminearum gefürchtete Pathogene von Reis bzw. Weizen steht daher im Fokus von HISTOVAR. HISTOVAR ist ein Gemeinschaftsprojekt einer österreichischen und einer französischen Forschungsgruppe, die beide das Ziel verfolgen, die Achillesferse von Fusarium zu finden. Durch eine Kombination reverser Genetik (Deletion bzw. Überrepräsentation von H2A.Z) und genom-weiten Analysen (Analyse des Transkriptoms, Metaboloms und Epigenoms) wird HISTOVAR dazu beitragen, die Rolle von H2A.Z in Bezug auf die Entwicklung, die Virulenz und den Sekundärmetabolismus besser zu verstehen. Wir sind davon überzeugt, dass dieses Wissen dazu beitragen wird, neue effiziente, dauerhafte und umweltfreundliche Strategien gegen Pilzinfektionen und Mykotoxinbelastungen zu finden.

Die Histonvariante H2A.Z ist konserviert von Hefen bis zum Menschen und gehört dabei zu den bestuntersuchten bekannten Histonvarianten. Studien in Modellorganismen wie zum Beispiel der Hefe Saccharomyces cerevisiae, der Pflanze Arabidopsis thaliana oder der Fliege Drosophila melanogaster ergaben jedoch weitreichende kontroverse Daten über den Einbau von H2A.Z in die Nukleosomenstruktur. Aus diesem Grund kann man bis heute keine eindeutige Funktion dem Einbau H2A.Zs zuordnen. Im Rahmen dieses gemeinsamen Projektes untersuchten wir die Rolle und Funktion der Histonvariante H2A.Z in den phytopathogenen Pilz Fusarium fujikuroi, einem wichtigen Krankheitserreger von Reis. Hier konnten wir zeigen, dass H2A.Z essentiell ist in F. fujikuroi, wie ebenfalls bekannt für andere Eukaryonten. Darüber hinaus zeigen wir, dass H2A.Z vorwiegend am +1-Nukleosom lokalisiert ist, das in hohem Maße mit der Gentranskription korreliert, insbesondere an Stellen, die mit Genregulationsprozessen in Verbindung stehen. Als Nächstes stellten wir fest, dass die Positionierung von H2A.Z weitgehend exklusiv zu dem Vorhandensein von H3K4me3 ist, einer Histonmarkierung, die mit positiver Gentranskription in Verbindung gebracht wird. Dies gilt jedoch nicht für die Histonmarkierung H3K27me3, ein Kennzeichen von fakultativem Heterochromatin, das für das Gen-Silencing in Fusarium wichtig ist. Diese Ergebnisse sind konträr zu den Daten, welche von anderen Eukaryoten bekannt ist, was auf ein anderes H2A.Z-abhängiges Regulationsnetzwerk schließen lässt. Darüber hinaus konnten wir durch Korrelation dieser Daten mit dem Transkriptionsoutput zeigen, dass der Einbau von H2A.Z in H3K27me3 markierte Regionen dem durch das fakultatives Heterochromatin vermittelten Gen-Silencing entgegenwirkt. Schließlich ermöglichte die Verwendung eines H2A.Z-Gen knock-down- und Überexpressionsstamms die erste funktionelle Charakterisierung der Histonvariante H2A.Z in F. fujikuroi. Hier konnten wir zeigen, dass H2A.Z für die normale Entwicklung des Pilzes benötigt wird, aber für die Biosynthese von Naturstoffen in diesem Pilz nicht von weitreichender Bedeutung ist. Insgesamt hat dieses Projekt neue Einblicke in das komplexe Chromatin-Regulationsnetzwerk von Fusarium ermöglicht und ist damit von grundlegender Bedeutung für die weitere Entwicklung nachhaltiger und effizienter Strategien zur Eindämmung von Pilzkrankheiten bei Pflanzen.