Charakterisierung des Häm-Stoffwechsels in Aspergillus fumigatus

Das Spurenelement Eisen ist für zahlreiche zelluläre Prozess essentiell aber im Überschuss toxisch. Die Adaption an Eisenmangel ist eine wichtige Virulenzdeterminante von Pathogenen wie auch dem Schimmelpilz Aspergillus fumigatus. Aufgrund der fundamentalen Unterschiede in den Mechanismen, die die Eisenhomöostase in Mensch und Pilz aufrechterhalten, ist der pilzliche Eisenmetabolismus ein attraktives Ziel für die Verbesserung von Therapie und Diagnostik von Pilzerkrankungen. Im Eisenmetabolismus spielt Häm eine zentrale Rolle. Häm dient als Cofaktor für zahlreiche zellulärer Prozesse wie Zellatmung, Ergosterolbiosynthese, Detoxifizierung von oxidativem Stress, reduktiver Eisenaufnahme, und ist weiters ein potentielles Signalmolekül. Ziel des vorliegenden Projekts ist die Charakterisierung des Hämstoffwechsels und der Hämregulation in A. fumigatus. Die geplanten Studien inkludieren (i) die Charakterisierung der Genom-weiten transkriptionellen Antwort auf Hämmangel, (ii) den Vergleich der transkriptionellen Antwort auf Hämmangel, Eisenmangel bzw Hypoxie in Wildtypstämmen und Mutanten mit Defekten in involvierten Regulatoren, (iii) in vivo und in silico Promoteranalysen von Häm- regulierten Genen, (iv) die Charakterisierung der Häm-Degradation, und (v) die funktionelle Analyse von Häm- regulierten Genen. Wir erwarten, dass die geplanten Studien neue Regulationskreisläufe mit Relevanz in fungaler Virulenz und Resistenz gegen antifungale Medikamente offenlegen.

Das Spurenelement Eisen ist für zahlreiche zelluläre Prozessw essentiell aber im Überschuss toxisch. Die Adaption an Eisenmangel ist eine wichtige Virulenzdeterminante von Pathogenen wie auch dem Schimmelpilz Aspergillus fumigatus. Aufgrund der fundamentalen Unterschiede in den Mechanismen, die die Eisenhomöostase in Mensch und Pilz aufrechterhalten, ist der pilzliche Eisenmetabolismus ein attraktives Ziel für die Verbesserung von Therapie und Diagnostik von Pilzerkrankungen. Im Eisenmetabolismus spielt Häm eine zentrale Rolle. Häm dient als Cofaktor für zahlreiche zellulärer Prozesse wie Zellatmung, Ergosterolbiosynthese, Detoxifizierung von oxidativem Stress, reduktiver Eisenaufnahme, und ist außerdem ein potentielles Signalmolekül. Ziel des vorliegenden Projekts war die Charakterisierung des Hämstoffwechsels und der Hämregulation in A. fumigatus. Die Genom-weite Transkriptomanalyse zeigte, dass Hämmangel zur Aktivierung folgender Stoffwechselwege führt: Hämbiosynthese, Isoprenoidbiosynthese, Respiration, Fermentation, und Alkoholabbau. Diese Antwort indiziert einen partiellen Wechsel von Respiration auf Fermentation und zeigt große Ähnlichkeit mit der Antwort auf Sauerstoffmangel. Der negative Effekt von Hämmangel auf die Produktion von Pseurotin A und Fumigallin zeigt eine Wechselwirkung zwischen Häm- und Sekundärmetabolismus. Wachstumsstudien zeigten, dass A. fumigatus externes Häm nur sehr limitiert nutzen kann. Unsere Studien identifizierten Transkriptionsregulatoren, die die Biosynthese von Häm positiv (SrbA, SrbB) und negativ (HapX) beeinflussen. Außerdem konnte die Rolle von Fungoglobin und Sirohäm im Stoffwechsel von A. fumigatus aufgeklärt werden. Fungoglobin ist das erste identifizierte Hämoglobin in Pilzen; dieses Häm-haltige Protein ist wichtig für die Anpassung an extremen Sauerstoffmangel und wird durch Mangel an Sauerstoff, Eisen oder Häm induziert. Sirohäm ist eine Häm-ähnlicher Cofaktor, der von Pflanzen und Mikroorganismen, aber nicht in höheren Eukaryonten verwendet wird. Sirohäm ist essentiell für die Aktivität von Nitrit- und Sulfitreduktasen. Die Inaktivierung der Sirohämbiosynthese in A. fumigatus blockierte die Nutzung von Sulfat und Nitrat als Schwefel- bzw Stickstoffquelle, reduzierte die Detoxifizierung von Stickstoffmonoxid, aber hatte keine Auswirkung auf die Virulenz von A. fumigatus im Aspergillose-Mausmodel. Die Ergebnisse dieser Studien haben das Verständnis des Hämstoffwechsels in A. fumigatus maßgeblich vertieft. Die Erkenntnisse sind nicht nur von medizinischem sondern auch biotechnologischem Interesse, da Häm nicht nur eine wichtige Rolle in der in der Wirts/Pathogen-Beziehung sondern auch für biotechnologische Pilz-Produkte spielt.