Licht, Substratverwertung und Toxinproduktion in Pilzen

In ihrem natürlichen Habitat sind Pilze ständig der Herausforderung ausgesetzt, mit anderen Lebewesen in einem komplexen Ökosystem zu konkurrieren. Dafür haben Pilze leistungsfähige Enzymsysteme für den Abbau von Substraten entwickelt, die für schnelles Wachstum und effiziente Kolonisierung ihrer Umgebung sorgen. Aber auch ihre Fähigkeit, toxische Stoffe (Sekundärmetaboliten) zu produzieren, ist bei der Verteidigung gegen Konkurrenten hilfreich. Unsere Arbeit mit Trichoderma reesei (Hypocrea jecorina), einem Modellorganismus zur Erforschung des Abbaus von Pflanzenmaterial und dem Zusammenhang zwischen der Reaktion auf Licht und metabolischen Vorgängen, ergab einen licht-regulierten Sekundärmetabolismus-Gencluster. Die Transkription der Gene in diesem Cluster wird durch Photorezeptoren in Licht reprimiert. In Dunkelheit dagegen, wird dieser Cluster vom Kohlenstoff-Katabolit-Repressor CRE1 und der Proteinkinase A (PKA) reguliert. Daraus schließen wir, dass ein präzise regulierter Mechanismus existiert, der die Zuteilung von Ressourcen für die Nährstoffaufnahme einerseits und die Produktion von Sekundärmetaboliten andererseits reguliert und daß der Effekt dieses Mechanismus durch Licht beeinflußt wird. Im Laufe dieses Projekts beabsichtigen wir diese Hypothese zu überprüfen. Wir werden die lichtabhängige posttranslationale Regulation und Funktion von CRE1 untersuchen sowie den direkten oder indirekten Zusammenhang mit den beiden Photorezeptoren. Metabolom-Analysen werden diese Studien ergänzen und Einblicke in das Sekundärmetaboliten-Profil von T. reesei bringen. Aufgrund der zahlreichen Hinweise auf eine wesentliche Funktion der Chromatin Organisation in diesem Prozess, werden wir die Rolle von CRE1 in der Chromatin Organisation, die schon von der Cellulaseregulation bekannt ist, in einem breiteren Blickwinkel untersuchen und auch die Beteiligung der Photorezeptoren berücksichtigen. In Laufe des Projekts werden wir parallel immer auch die Cellulasegen-Expression als repräsentativen Output-pathway mitverfolgen. Damit können wir den Substratabbau vor dem Hintergrund der Regulation des Sekundärmetabolismus nachvollziehen. Dies ermöglicht uns faszinierende Einblicke in das Gleichgewicht zwischen der Zuteilung von Ressourcen in beschleunigtes Wachstum oder die Abwehr von Konkurrenten im Lebenszyklus eines Pilzes.

Der natürliche Lebensraum von Pilzen wimmelt von benefiziellen und pathogenen Mikroorganismen, Pflanzen, aber auch höhere Organismen konkurrieren mit ihnen um Nährstoffe und Platz. Um zu überleben und sich in dieser Umgebung ausbreiten zu können haben Pilze effiziente Enzyme für den Abbau von totem Pflanzenmaterial entwickelt, sie produzieren Signalstoffe um mit anderen Organismen zu kommunizieren und sie erzeugen schädliche Metabolite um Konkurrenten zu bekämpfen. Wenn ausreichend Nahrung verfügbar ist, unterdrücken Pilze die Produktion von Enzymen mit einem Mechanismus, der Kohlenstoff-Katabolit Repression genannt wird. Die von Pilzen produzierten Enzyme werden in Waschmitteln sowie Nahrungs- und Futtermitteln eingesetzt, aber auch für die Produktion von Biotreibstoffen. Die produzierten Metabolite retten Leben als Antibiotika und Pharmazeutika, aber sie können auch sehr gefährlich werden im Falle von Mykotoxinen. Daher haben wir die Regulation der Enzymproduktion im filamentösen Pilz Trichoderma reesei untersucht, der einer der wichtigsten Pilze für die Produktion von Enzymen weltweit ist. Wir haben den Zusammenhang zwischen Enzymproduktion und Sekundärmetabolismus studiert, um zu erfahren, ob Nahrungsaufnahme mit Abwehrmechanismen verknüpft ist und wie die Ressourcen zwischen diesen beiden Aufgaben aufgeteilt werden. Im Speziellen haben wir uns mit einem genomischen Cluster beschäftigt, der für die Produktion bestimmter Sekundärmetabolite verantwortlich ist und durch den Kohlenstoff-Katabolit Repressor CRE1 reguliert wird. Der Cluster ist an der Produktion von Trichodimerol und Dihydrotrichotetronin beteiligt, aber beeinflusst die Sekundärmetabolitenproduktion auch darüber hinaus durch die Funktion des Transkriptionsfaktors YPR2. Unsere Ergebnisse weisen auch darauf hin, dass ein Feedback Mechanismus existiert, der eine Reaktion auf die Umwelt beinhaltet, und eine Abstimmung der Produktion mit Umweltbedingungen bewirkt. In mehreren Fällen fanden wir heraus, dass Gene, die an der Regulation der Enzymproduktion beteiligt sind, auch die Metaboliten Produktion beeinflussen. Das zeigt, dass Pilze sehr wohl ihre Ressourcen zwischen Nährstoffaufnahme und Abwehr von Konkurrenten aufteilen. Neben der Analyse einzelner Regulatoren haben wir auch untersucht, ob sich die epigenetische Regulation durch verschiedene Nährstoffquellen und in Licht und Dunkelheit verändert. Das ist tatsächlich der Fall und wir noch weiter untersucht. Unsere Forschung zeigte, dass die Regulation des Sekundärmetabolismus von der Enzymproduktion nicht unabhängig ist und außerdem durch Licht beeinflusst wird. Unsere Erkenntnisse sind Grundlage für weitere Forschung mit dem Ziel einer effizienten Enzymproduktion ohne Störung durch gefährliche Metabolite und auch für die Verbesserung der Produktion von Antibiotika sowie der Reduktion von Mykotoxinen.