Spezifische Rolle von Histon Deacetylasen in Pilzen

Histon Deacetylasen (HDACs) spielen gemeinsam mit anderen Histon-modifizierenden Enzymen eine entscheidende Rolle bei essentiellen Vorgängen wie der Replikation oder der Regulation bestimmter Gene in eukarontischen Zellen, indem sie gezielt acetylierte Lysinreste bestimmter Corehistone zu deacetylieren vermögen. Modifikationen wie die Acetylierung bewirken eine "Auflockerung" des sonst stark kondensierten Chromatinbereiches, und/oder wirken als spezifische Signale, welche die Bindung von für die Replikation oder Transkription verantwortlicher Enzyme am entsprechenden Chromatinabschnitt ermöglichen oder erleichtern. Man spricht daher heute von einer "epigenetischer Genregulation," also einer Regulation jenseits der klassischen Genetik. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich seit geraumer Zeit mit der Erforschung von HDACs in dem klassischen Modellorganismus und Schimmelpilz Aspergillus nidulans. In einem Vorläuferprojekt ist es uns gelungen, HDACs verschiedener Klassen zu identifizieren und größtenteils auch biochemisch näher zu charakterisieren. Dabei stellte sich heraus, dass einige pilzliche HDACs nicht nur sehr eigenständige Strukturen, Eigenschaften und Zielgene besitzen, sondern zum Teil auch essentielle Funktionen in filamentösen Pilzen erfüllen, die sie klar von homologen Enzymen anderer Organismen (z.B. Saccharomyces oder Mammalia) unterscheidet. Unter anderem erwiesen sich zwei Aspergillus Stämme, in denen die Klasse 2 HDAC HdaA bzw. das Klasse 1 Enzym RpdA inaktiviert wurden, unter bestimmten Bedingungen als im Wachstum schwer beeinträchtigt, oder sogar nicht mehr lebensfähig. Interessanter Weise gibt es deutliche experimentelle Hinweise darauf, dass verwandte Enzyme anderer filamentöser Pilze ähnlich essentielle Rollen spielen. Dieses Faktum wiederum macht diese Enzyme zum idealen Angriffsziel von 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 verantwortlich sind, sondern auch als Krankheitserreger von Kulturpflanzen, aber auch von (immunkomprimierten) Patienten große Bedeutung haben, herrscht heute großes wirtschaftliches und medizinisches Interesse an neue spezifischen Antimykotika. Die weitere Aufklärung der Strukturen, der Komplexpartner und der biologischen Funktion von Histon Deacetylasen im Allgemeinen und von pilzlichen HDACs im Speziellen ist das vorrangige Ziel dieses Projekts.

Bei Histondeacetylasen handelt es sich um eine Gruppe von Enzymen, die unter anderem eine entscheidende Rolle bei der Regulation von Genen in Eukaryonten spielt, indem sie Struktur und Beschaffenheit des Chromatins so verändern, dass der Zugang von Transkriptionsfaktoren an bestimmte DNA-Bereiche ermöglicht oder verhindert wird. Da jede Fehlregulation von Genen zu schweren Komplikationen im betroffenen Organismus führen kann, stehen Histondeacetylasen und ihre natürlichen und synthetischen Inhibitoren heute im Blickfeld bei der Erforschung unterschiedlichster Tumorerkrankungen und deren Therapiemöglichkeiten. Ziel dieses Projektes war es, neue Zielgene von spezifischen Histondeacetylasen in filamentösen Pilzen zu identifizieren, die als Produzenten von Lebensmitteln, Enzymen und Pharmazeutika eine bedeutende Rolle spielen. Andere Arten wiederum sind wichtige Destruenten oder gefürchtete Krankheitserreger in Kulturpflanzen, Tieren und nicht zuletzt beim Menschen. Im Fokus unserer Arbeiten stand die Spezies Aspergillus nidulans, ein klassischer Modellorganismus, der sich trotz differenzierten Wachstums durch einfache Anzucht- und Manipulationsmöglichkeiten auszeichnet. Bereits im ersten Jahr des Projekts gelang mit Hilfe einer Histondeacetylase Deletionsmutante der Nachweis, dass ein klassisches Enzym, HdaA, maßgeblich an der Regulation der Synthese von so wichtigen Sekundärmetaboliten wie Penicillin beteiligt ist. Im späteren Projektverlauf konnte gezeigt werden, dass neben HdaA noch weitere Histondeacetylasen, allen voran HosA, in die Produktion von Antibiotika, Toxinen und weiteren neuartigen bioaktiven Molekülen involviert sind: Ein interessantes Ergebnis, besonders im Hinblick darauf, dass das medizinische Potential vieler jüngst entdeckter pilzlicher Sekundärmetaboliten noch weitgehend im Dunkeln liegt. Ein zweiter Schwerpunkt des Projekts befasste sich mit RpdA, einer weiteren Histondeacetylase. Bereits zu Beginn der Arbeiten war gezeigt worden, dass dieses Enzym eine essentielle Rolle in der Entwicklung von Aspergillus nidulans spielt. Im Verlauf des Projekts konnte die Bedeutung von RpdA-Typ Enzymen auch für pathogene Pilzarten nachgewiesen werden.DurchHomologievergleichevoneukaryontischen Histondeacetylasen gelang es schließlich, eine pilzspezifische Sequenz in RpdA-Typ Enzymen zu identifizieren, welche essentiell für deren biologische Aktivität ist. Dieses Motiv stellt damit ein potentielles Ziel für neuartige Inhibitoren dar, die künftig auch als (spezifische) antimykotische Substanzen Anwendung finden könnten: Ein interessanter Aspekt vor dem Hintergrund, dass schwere, teils fatal verlaufende Pilzinfektionen mit der heute steigenden Anzahl an immunsupprimierten Patienten zunehmen und derzeit gebräuchliche Chemotherapeutika oft zu Nebenwirkungen und zu Resistenzen der pathogenen Erreger führen. Ein Teil der im Zuge dieses Projekts gewonnenen Ergebnisse wurde bis dato in vier Publikationen in renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht, ein weiterer Teil wurde als preliminary data in einem beim österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) eingereichten Nachfolgeprojekt vorgestellt, welches vor kurzem genehmigt wurde.