Neue Funktionen von Histondeacetylasen in Pilzen

Die Acetylierung spezifischer Lysinreste von Core-Histonen spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation eukaryontischer Gene. Histondeacetylasen (HDACs) agieren dabei meist als Repressoren und der Verlust ihrer enzymatischen Aktivität führt daher zur Aktivierung betroffener Zielgene. Natürliche oder synthetische HDAC- Inhibitoren hemmen die katalytische Aktivität von HDACs und können so die Transkriptionsaktivität von Zellen maßgeblich beeinflussen. Folglich befinden sich etliche dieser Inhibitoren bereits als potentielle Therapeutika zur Behandlung unterschiedlicher Krebserkrankungen in klinischen Versuchsreihen, oder sind bereits für die Behandlung von Patienten zugelassen. Während der letzten Jahre hat sich unsere Arbeitsgruppe mit der Identifizierung und Charakterisierung von HDACs im Modellorganismus Aspergillus nidulans und in den pathogenen filamentösen Pilzen Aspergillus fumigatus und Cochliobolus carbonum beschäftigt. Neben ihrer Bedeutung als Pathogene spielen filamentöse Pilze auch als Produzenten von pharmazeutischen Produkten, organischen Verbindungen und Lebensmitteln oder in der Abfallverwertung eine wichtige Rolle. Um biotechnologische Prozesse besser kontrollieren und weiter optimieren zu können, ist ein detailliertes Verständnis der Regulation von Genen und Genclustern dieser Organismen von besonderer Bedeutung. In vorangehenden Arbeiten konnten wir zeigen, dass HDACs maßgeblich an der Regulation der Produktion von Sekundärmetaboliten (SM) beteiligt sind. SM stehen auf Grund ihrer Bedeutung als Pharmaka (z.B. Penicillin, Cephalosporin oder Cyclosporin), aber auch wegen ihrer außerordentlichen Toxizität (z.B. Aflatoxin oder Ergot Alkaloide) seit langem im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses. Die weitere Aufklärung der Rolle von HDACs (und im speziellen des Klasse 1 Enzyms HosA) in der Regulation der SM Produktion in filamentösen Pilzen ist einer der Schwerpunkte dieses Forschungsprojektes. Ein weiteres Enzym der Klasse 1, RpdA, ist essentiell für Wachstum und Sporulation filamentöser Pilze. Darüber hinaus verfügen RpdA-Typ Proteine über ein hochkonserviertes, pilzspezifisches Motiv im sonst sehr heterogenen C-Terminus, welches nicht deletiert werden kann, ohne die biologische Funktion der Enzyme zu zerstören. Unter diesem Aspekt könnten HDAC-Inhibitoren künftig nicht nur in der Therapie von Krebserkrankungen eine Rolle spielen, sondern auch als Inhibitoren von RpdA als Antimykotika Bedeutung erlangen. Tatsächlich wurde mit MGCD290 erst kürzlich der erste HDAC-Inhibitor mit anti-fungaler Aktivität vorgestellt. Darüber hinaus gibt es deutliche Hinweise, dass in Hefe ein synergistischer Zusammenhang zwischen dem HosA Homolog HOS2 und der Resistenzbildung gegen etablierte anti-fungale Substanzen besteht. Inhibitoren gegen HOS2/HosA Proteine könnten daher künftig auch in einer Kombinationstherapie mit klassischen Antimykotika von Bedeutung sein. Die in diesem Antrag beschriebenen Experimente mit Mutantenstämmen werden wesentlich zum Verständnis beitragen, wie HDAC Aktivitäten den Sekudämetabolismus regulieren, Einfluss auf das Resistenzverhalten ausüben und Wachstum und Entwicklung von filamentösen Pilzen beeinflussen.

Schimmelpilze spielen nicht nur in den Stoffkreisläufen der Natur eine entscheidende ökologische Rolle, sondern sind auch wichtige Produzenten bioaktiver Substanzen, denen heute als medizinische Therapeutika größte Bedeutung zukommt. Andererseits jedoch können einige pathogene Pilzarten bei immungeschwächten Patienten zu invasiven Mykosen mit oftmals schlechter Prognose führen. Wie auch bei höheren Eukaryonten, ist die DNA von Pilzen im Zellkern gemeinsam mit Histonen und weiteren Proteinen in Form von Chromatin organisiert. Die variable Dichte dieser Verpackung entscheidet dabei ganz wesentlich über die Zugänglichkeit der DNA und die Aktivität bestimmter Gene oder ganzer Gencluster. Dabei tragen Histon-modifizierende Enzyme wie Histondeacetylasen (HDACs) wesentlich dazu bei, Chromatin strukturell zu verändern und Genaktivitäten entsprechend zu beeinflussen. In diesem Projekt konnte nun gezeigt werden, dass eine dieser HDACs, das Klasse 1 Enzym HosA, an der Repression der Produktion vieler bioaktiver Substanzen des filamentösen Pilzes Aspergillus nidulans beteiligt ist. So werden in hosA-Deletionsmutanten Sekundärmetaboliten synthetisiert, die unter herkömmlichen Wachstumsbedingungen im Labor gar nicht nachweisbar wären. Die Ausschaltung von HosA-Typ Enzymen in Pilzen kann daher bei der Suche nach neuen Substanzen äußerst hilfreich sein. Interessanterweise findet die Produktion wieder anderer bioaktiver Metaboliten, allen voran das Antibiotikum Penicillin, ohne HosA überhaupt nicht statt. Neben der klassischen Rolle als Repressor scheint HosA also in mehreren Fällen auch aktivierende Funktion zu besitzen. Bereits vor Beginn dieses Projektes war bekannt, dass RpdA, eine zweite Klasse 1 HDAC, ganz entscheidend für optimales Wachstum von Aspergillus nidulans ist. Hier durchgeführten Untersuchungen bestätigen nun, dass RpdA Aktivität nicht nur für das Wachstum, sondern auch für die Sporenkeimung pathogener Pilzarten essentiell ist. Diese Tatsache macht RpdA zum potentiellen Ziel für HDAC-Inhibitoren mit antifungaler Aktivität. Da sich mehrere dieser Inhibitoren bereits im klinischen Einsatz gegen bestimmte Krebserkrankungen befinden, liegt deren Erprobung für weitere klinische Anwendungen nahe. Der Umstand, dass sich RpdA-Typ Enzyme in einigen wichtigen strukturellen Eigenschaften deutlich von denen verwandter Enzyme höherer Eukaryonten unterscheiden, ermutigt sogar zur Suche nach pilzspezifischen Deacetylaseinhibitoren. Tatsächlich konnte im Zuge dieses Projekts am opportunistischen Pathogen Aspergillus fumigatus eine stark wachstumshemmende Wirkung neuartiger Deacetylaseinhibitoren nachgewiesen werden. Angesichts steigender Resistenzen pathogener Pilze gegenüber etablierten Antimykotika könnte die Inaktivierung von RpdA-Typ Enzymen mittels spezifischer Inhibitoren also künftig ein vielversprechender neuer Therapieansatz bei invasiven Pilzerkrankungen sein.