Die Rolle von Histon Deacetylasen in Aspergillus nidulans

Eine erstaunliche Fähigkeit höherer Zellen ist die Verpackung ihrer ca. 1- 2m langen DNA in einen nur wenige m großen Zellkern. Dabei ermöglichen basische Proteine, sogenannte Core-Histone, die Kondensation der DNA und bilden mit ihr gemeinsam das Chromatin. Da aber DNA ständig für zelluläre Prozesse wie der Vervielfältigung (Replikation) oder der Genexpression (Transkription) zur Verfügung stehen muß, ist das Chromatin keine "starre Masse" sondern ein äußerst dynami-sches Gebilde. Zu dieser Dynamik tragen Enzyme bei, welche Histone an spezifischen Stellen modifizieren und damit Chromatinabschnitte in ihrer Struktur verändern können. Derartige Modifi-kationen bewirken einerseits eine durch Ladungsänderungen hervorgerufene, "Auflockerung" des sonst stark kondensierten DNA Abschnitts, und/oder wirken als spezifische Signale, welche die Bindung von für die Replikation oder Transkription verantwortlicher Enzyme am entsprechenden Chromatinabschnitt ermöglichen oder erleichtern. Damit spielen diese Modifikationen letztlich bei der Genregulation in höheren Zellen eine entscheidende Rolle. Eine der bekanntesten Modifika-tionen ist die Acetylierung von Lysinresten bestimmter Core- Histone. Die Übertragung eines Acetylrestes wird dabei von sogenannten Histonacetyltransferasen (HATs) bewerkstelligt und kann durch ihre Gegenspieler, den Histondeacetylasen (HDACs), rückgängig gemacht werden. Während für erstere bis heute keine Hemmstoffe bekannt sind, wurden gegen HDACs zahlreiche Inhibitoren entdeckt, welche nun bei der funktionellen Aufklärung von Acetylierungsprozessen eine entschei-dende Rolle spielen. So konnten Untersuchungen der jüngsten Zeit einen eindeutigen Einfluß von Histonacetylierung auf Aktivierung bzw. Repression verschiedenster Modellgene nachweisen. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich seit geraumer Zeit mit der Erforschung von für die Histon-acetylierung verantwortlicher Enzyme. Dabei konnten wir in dem Schimmelpilz Aspergillus nidulans HDACs verschiedener Klassen identifizieren und teilweise charakterisieren. Ziel dieses Projektes ist es nun, die Charakterisierung der HDACs voranzutreiben bzw. deren genaue Funktion aufzuklären. Schimmelpilze eignen sich insofern ganz besonders für derartige Untersuchungen, da sie einerseits als höherere Eukaryonten Säugerzellen relativ nahe stehen, sich aber andererseits, ähnlich der Bäckerhefe, äußerst schnell und einfach kultivieren und äußerst effizient genetisch manipulieren lassen. Aus diesen Gründen hat sich diese Gruppe von Organismen speziell bei Frage-stellungen der eukaryontischen Genregulation schon oftmals als Modellsystem bewährt. Darüber hinaus haben Schimmelpilze und im besonderen Aspergillen als Verantwortliche für den Verderb von Nahrungsmittel bzw. als Krankheitserreger auch wirtschaftliche und medizinische Bedeutung.

Histon Deacetylasen (HDACs) spielen gemeinsam mit anderen Histon-modifizierenden Enzymen eine entscheidende Rolle bei essentiellen Vorgängen wie der Replikation oder der Regulation bestimmter Gene, indem sie gezielt acetylierte Lysinreste bestimmter Core-Histone deacetylieren. Derartige Modifikationen bewirken eine "Auflockerung" des sonst stark kondensierten Chromatinbereiches, und/oder stellen spezifische Signale dar, welche die Bindung von für die Replikation oder Transkription verantwortlicher Enzyme am entsprechenden Chromatinabschnitt ermöglichen oder erleichtern. Man spricht in diesem Zusammenhang daher heute von "epigenetischer Genregulation," also einer Regulation jenseits der klassischen Genetik. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Erforschung von HDACs in dem klassischen Modellorganismus und Schimmelpilz Aspergillus nidulans. Im Zuge des nun abgeschlossenen Projekts ist es uns gelungen, alle HDACs dieses Pilzes zu identifizieren und teilweise auch biochemisch und funktionell näher zu charakterisieren. Dabei stellte sich heraus, dass einige dieser Enzyme nicht nur sehr eigenständige Strukturen und Eigenschaften besitzen, sondern auch essentielle Funktionen in filamentösen Pilzen erfüllen, die sie klar von verwandten Proteinen anderer Organismen (z.B. Hefe oder Säugerzellen) unterscheiden. So erwiesen sich Aspergillus Stämme, in denen das Gen für die Klasse 2 HDAC HdaA deletiert wurde, unter oxidativem Stress auf Grund eines nicht mehr funktionierenden Detoxifikationsmechanismus im Wachstum schwer beeinträchtigt. Eine noch dramatischere Folge dieser Deletion konnte aber in Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe in den USA gezeigt werden. Wir konnten nachweisen, dass hdaA Deletionsmutanten gegenüber dem Wildtyp eine über dreimal so hohe Penizillinproduktion aufweisen und dass sich auch die Expression anderer Sekundärmetaboliten von Aspergillus deutlich erhöht. Dies ist umso interessanter, da neben Penizillin auch zahlreiche toxische oder karzinogene Stoffe zu diesen Metaboliten zählen, die für filamentöse Pilze zwar meist nicht essentiell sind, in der Lebensmittelindustrie und Landwirtschaft allerdings jedes Jahr für große wirtschaftliche Schäden verantwortlich zeichnen. Tatsächlich essentiell für A. nidulans erwies sich jedoch RpdA, eine weitere von uns analysierte HDAC. Wir konnten zeigen, dass die Inaktivierung dieses Klasse 1 Enzyms zu einer starken Wachstumshemmung und zum Verlust der Sporulation des Pilzes führt und es gibt mittlerweile deutliche experimentelle Hinweise darauf, dass verwandte Proteine anderer filamentöser Pilze eine ähnlich essentielle Rolle spielen. Dieses Faktum wiederum macht dieses Enzym zum idealen Angriffsziel für Antimykotika, welche künftig in Form von pilzspezifischen HDAC-Inhibitoren eingesetzt werden könnten. Da viele eng mit A. nidulans verwandte Schimmelpilze nicht nur für den Verderb von Nahrungsmittel und Erkrankungen von Kulturpflanzen verantwortlich sind, sondern auch als Krankheitserreger von vor allem immunkompromitierten Patienten große Bedeutung haben, herrscht heute auch reges medizinisches Interesse an neuen spezifischen Antimykotika.