Morphogenese in Fungaler Virulenz & Pathogenese

Candida albicans is the most common human opportunistic fungal pathogen. When the host immune system is impaired, the obligatory diploid C. albicans fungus can switch from a commensal colonizer to a serious invasive human pathogen, causing mucosal infections, as well as life-threatening invasive diseases. With the increaseof susceptible immunocompromised populations, C. albicans infections constitute a global healthcare problem. Given its public health importance, it is vital to study the pathogenesis of C. albicans and their interaction with the host immune system. C. albicans can switch between several different growth morphologies, which enable them to better adapt to fluctuating host environments and promote or favour infections and invasive diseases. Recently, we have demonstrated that the ability to switch from white (W) to the opaque (O) morphology phase is a common characteristic of C. albicans in all the three known mating type loci (MTL) types. The two phases vary greatly in morphology, gene expression and virulence. However, we have very limited knowledge about why the MTL heterozygous strains can undergo white- opaque (W/O) switching, since they are otherwise mating incompetent. Therefore, the major aim of this project is to decipher the role of W/O switching in the interaction between C. albicans and innate immune phagocytes at the cellular and molecular level. Innate immune cells including macrophages, dendritic cells, neutrophils are the first line of host defense against invasive candidiasis. We hypothesize that the W and O cells of C. albicans interact differently with these phagocytes, leading to a distinct output driving T cell polarization and thus adaptive immunity. The W and O cells of a/ isolates express a number of different genes including cell wall components, metabolism and stress response genes, which are implicated in the recognition, engulfment and elimination by immune cells. So we hypothesize that the intrinsic differences between morphogenetic phases of C. albicans are attributed to the different interactions with host immune cells. Since the genomes of W cells and O cells are identical, epigenetic regulation of gene expression by modified and remodeled chromatin may account for the different phenotypes seen in W and O cells. Thus, we believe that chromatin alterations induced by host interaction may affect cell wall structure and homeostasis in different morphologies of C. albicans, leading to different responses to the host, which may even promote immune evasion. Furthermore, chromatin proteins associated with virulence are promising alternative targets for new anti-fungal drugs. Therefore, our work will shed new light on the molecular principles governing host-fungal interactions and virulence of C. albicans, and may possibly pave the way for new antifungal strategies against this important human fungal pathogen. 1

Dieses Projekt hatte zum Ziel, die Rolle von Chromatinmodifikationen bei der Integration von Umweltsignalen in die Transkriptionskontrolle der Pilzmorphogenese mit Schwerpunkt auf Histonmodifikationsenzyme, zu untersuchen. Eukaryonten besitzen eine Vielzahl von histonmodifizierenden Enzymen, um Chromatin und Nukleosomen zu modifizieren. Dadurch wird die Genregulation in Reaktion auf Umweltreize in zahlreichen biologischen Prozessen beeinflusst. Besonders adaptive Histonmodifikationen sind typische Merkmale der phänotypischen Plastizität in humanen Pilzpathogenen, um eine schnelle Anpassung an Wirtsnischen und damit eine Kolonisation oder Infektion zu ermöglichen. Zum Beispiel können die zwei Wirtsfaktoren N-Acetylglucosamin und CO2 eine morphogenetische Umwandlung zwischen weißen (W) und opaken (O) Zellen in MTL (Paarungstyp-Locus)- homozygoten und -heterozygoten (a / ?) Stämmen des menschlichen Pilzpathogen Candida albicans induzieren. C. albicans ist die häufigste Ursache für invasive Pilzinfektionen mit hoher Morbidität und Mortalität. RPD3-ähnliche Histon-Deacetylasen (auch als Klasse I HDACs bezeichnet) sind von einzelligen Eukaryonten bis zu Säugetieren konserviert. Im Genom von C. albicans sind zwei nahezu idente paraloge HDAC-Proteine (Rpd3 und Rpd31) zu finden, wobei ihre Funktionen kaum beschrieben sind. In diesem Projekt konnten wir 8 von 20 histonmodifizierenden Enzymen identifizieren, die bei der Regulation der W/O-Umschaltung in MTL-homozygoten und heterozygoten C. albicans Stämmen verschiedene Rollen spielen. Bemerkenswerterweise konnte gezeigt werden, dass die genetische Entfernung von RPD3 und RPD31 entscheidende, aber entgegengesetzte Rollen bei der W/O-Umschaltung in MTL a/? Stämmen spielt. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass Rpd3 und Rpd31 eine funktionelle Divergenz im Zusammenhang mit ihren unterschiedlichen C-terminalen Enden erworben haben. Wir lieferten überzeugende Beweise dafür, dass Rpd3 und Rpd31 mit unterschiedlichen Proteinkomplexen assoziiert sind und Rpd3-vermittelte Regulation sowohl Histon-Deacetylase-Aktivität erfordert als auch die Beteiligung des Transkriptionsrepressors a1/?2, der das WOR1 Gen kontrolliert, welches den Hauptregulator der W/O-Umwandlung kodiert. Schlussendlich haben wir ein Modell entwickelt, welches eine Erklärung der entgegengesetzten regulatorischen Funktionen von Rpd3 und Rp31 in der W/O-Umschaltung in MTL a/? C. albicans-Stämmen ermöglicht. Diese Arbeit ist nach unserem besten Wissen die erste Beschreibung von zwei paralogen HDACs, die entgegengesetzte Rollen im gleichen Entwicklungsprozess spielen. Unsere Daten veranschaulichen die enge Kommunikation und das Zusammenspiel von HDACs und Transkriptionsfaktoren, die benötigt werden um Entscheidungen über das Zellschicksal eukaryotischer Zellen zu kontrollieren. Darüber hinaus trägt dieses Projekt wesentlich zum Verständnis der einzigartigen Rolle verschiedener menschlicher Homologe von RPD3-ähnlichen Klasse I HDACs in der Regulation von Zellzyklus und Apoptose im Zusammenhang mit der Entstehung von Krebs bei.