Chromatinmodifikationen in Fungaler Virulenz und Pathogenese

Die DNA, die Trägerin der genetischen Information, ist in eukaryotischen Organismen in Nukleosomen im Chromatin verpackt. Das Chromatin spielt bei der Regulation von diversen pathophysiologischen Prozessen, angefangen von normalen Wachstum bis hin zu malignen Transformation, sowie bei Infektionen durch Pathogene eine essentielle Rolle in der Genregulation. Die Kernbestandteile des Chromatins, die Histone, können post- translational modifiziert werden, um die Verpackungsdichte des Chromatins zu verändern. So können regulatorische Effekte auf die Expression von Zielgenen erzielt werden. Die reversible Acetylierung von Lysinresten an Histonen durch eine Histonacetyltransferase (HAT) wird oft mit Genaktivierung in Verbindung gebracht, während die Funktion eine Histondeacetylase (HDAC) normalerweise zur Genepression führt. In dem häufigsten humanpathogenen Pilz, Candida albicans, existieren mehrere HATs/HDACs, welche die Morphogenese des dimorphen Pilzes steuern. Candida spp. sind opportunistische Pathogene, die bei einem geschwächten Immunsystem schwerwiegende, chronische sowie invasive Candidosen mit hohen Mortalitätsraten von über 40% hervorrufen können. Candida Pilze unterliegen der permanenten Überwachung durch die Immunabwehr des Wirts. Dabei scheint das Chromatin eine wichtige Rolle in der Pathogenese zu spielen, da Veränderungen am Chromatin sowohl Filamentierung als auch antifungale Resistenz steuern. So steuert das Chromatin ob der dimorphe Pilz in einzelliger Form oder in der invasiven filamentösen Morphologie wächst. Beide Formen interagieren unterschiedlich mit dem Immunsystem und zeigen Präferenzen in der Kolonisierung von Nischen. Zur Zeit sind klinisch relevante anti-Infektiva hauptsächlich auf die Azole und die fungizid wirkenden Echinocandine, welche die fungale Ergosterol- bzw. die Zellwandbiosynthese blockieren, beschränkt. Die spezifische Inhibition von fungalen HDACs/HATs gewinnt als neuer therapeutischer Ansatz zunehmend an Bedeutung, da die Morphogenese als ein Hauptvirulenzfaktor von C. albicans gilt. Allerdings sind viele Mechanismen mit denen HATs/HDACs die Virulenz pathogener Pilze steurern noch weitgehend unbekannt. Im Zuge dieses Projektes werden wir daher Mechanismen aufklären, die die Wechselwirkungen von transkriptioneller Regulation mit dynamischen Chromatinmodifikationen durch bestimmte HDACs/HATs kontrollieren. Anhand einer prototypischen HAT, werden wir die Hypothese testen, wonach die Hat1/Hat2 Histon Acetyltransferase über Veränderungen des Chromatins in Genpromotoren Gene reguliert, die DNA Reparatur, antifungale Resistenz oder die Stressantwort koordinieren. Weiters werden wir Mechanismen aufklären, mit denen eine typische HDAC, nämlich der C. albicans Set3/Hos2 Histondeacetylase Komplex Set3C, die Transkription von Zielgenen steuert, welche Filamentierung, Morphogenese und antifungale Resistenz kontrollieren. Der experimentelle Ansatz wird aktuelle genomweite Ansätze, inklusive "next generation sequencing" wie RNA-Seq und ChIP-Seq, verbunden mit ausführlicher Bioinformatik und reverser Genetik, einsetzen. Die Pathogenizität von Candida spp in denen HDAC/HAT Zielgene genetisch entfernt wurden, wird ex vivo in primären Immunzellen wie Makrophagen und Dendritische Zellen, sowie in vivo mittels entsprechenden Mausmodellen für Virulenz untersucht. Damit werden erstmals alle Virulenzgene in dem humanpathogen C. albicans identifiziert, deren Transkription durch die Chromatin-modifizierenden Set3C und Hat1/Hat2 Enzyme reguliert werden.

Das Chromatin spielt bei der Regulation von diversen pathophysiologischen Prozessen, angefangen von normalen Wachstum bis hin zu malignen Transformation, sowie bei Infektionen durch Pathogene eine essentielle Rolle in der Genregulation. Die Kernbestandteile des Chromatins, die Histone, können durch histonacetyl transferasen (HAT) sowie histon deacetylasen (HDACs) post-translational modifiziert werden, um die Verpackungsdichte des Chromatins zu verändern und somit Genexpression zu regulieren. In dem häufigsten humanpathogenen Pilz, Candida albicans, existieren mehrere HATs/HDACs, welche die Morphogenese des dimorphen Pilzes steuern. Candida spp. sind opportunistische Pathogene, die bei einem geschwächten Immunsystem schwerwiegende, chronische sowie invasive Candidosen mit hohen Mortalitätsraten von über 40% hervorrufen können. Die wichtigste Hypothese diese Projekets war das HDACs/HATs die fungale Virulenz sowie die Stressantwort und antifungale Sensitivität regulieren.Im Zuge des Projektes wurden neue Mechanismen aufgeklärt, die die Wechselwirkungen von transkriptioneller Regulation mit dynamischen Chromatinmodifikationen durch bestimmte HDACs/HATs kontrollieren. Anhand einer prototypischen HAT, konnten wir die Hypothese verifizieren, wonach die Hat1 Histon Acetyltransferase über Veränderungen eines bestimmten Histons die Chromatinfunktion von Genen reguliert, die für die DNA Reparatur, antifungale Resistenz sowie die Stressantwort notwendig sind. Weiters konnten wir neue regulatorische Mechanismen aufklären, mit denen eine typische HDAC, nämlich der C. albicans Histon Deacetylase Komplex Set3C, sowie die Rpd3 / Rpd31 HDACs die Expression von Zielgenen steuern, welche die Pilzmorphogenese sowie Biofilmgenese kontrollieren. Die Pathogenizität von Candida Pilzen in denen die Set3C oder die Hat1 genetisch entfernt wurden, konnte in entsprechenden Mausmodellen für Virulenz getestet werden. Damit wurde gezeigt, dass die genetische Inaktivierung von HDACs/HATs die Pilzvirulenz aufhebt. Weiters wurden erstmals weitere Virulenzgene im humanpathogen C. albicans identifiziert, die durch die chromatin-modifizierenden Set3C und Hat1 reguliert werden. Durch extensive molekularbiologische und genetische Validierung in Mausmodellen für fungale Pathogenizität konnte gezeigt werden, dass Hat1 und der Set3C Komplex für fungale Virulenz essentiell sind. Somit wurden spezifische HATs / HDACs in Candida Pilzen als potentielle Ziele für die Entwicklung von neuen antifungalen Medikamente identifiziert. Zusammenfassend hat dieses Projekt neue Mechanismen der Genregulation in pathogenen Pilzen entschlüsselt. Weiters eröffnen die Ergebnisse langfristig neue Perspektiven für die Entwicklung von effizienteren antifungalen Therapien, da die Blockade von HATs/HDACs die Pilzvirulenz verhindert.