Rolle, Funktion und Wechselwirkung von Kmt6 in Fusarium spp.

Pilze der Gattung Fusarium gehören zu den am weitesten verbreiteten Pflanzenpathogenen und führen durch den Befall vieler industrieller Nutzpflanzen zu enormen Ernteverlusten. Der Fusarium fujikuroi species complex (FFC) umfasst 50 eng verwandte Fusarien. Vertreter dieser Gruppe produzieren ein breites Spektrum an Sekundärmetaboliten (SM), von denen einige toxische oder kanzerogene Eigenschaften haben (z.B. Mykotoxine), während andere in der Agrarkultur oder Medizin eingesetzt werden (z.B. Antibiotika). Ein entscheidender Schritt für die Entwicklung effizienter und dauerhafter Strategien zur Vorbeugung von Mykotoxinbelastungen in Lebens- und Futtermitteln aber auch für die Entdeckung neuer SM mit potenziell gesundheitsfördernden Eigenschaften ist das Verständnis ihrer Regulation auf molekularbiologischer Ebene. Morphologischen Veränderungen der Chromatinstruktur kommt hierbei eine entscheidenene Rolle zu. Die Chromatinstruktur, bestehend aus Histonproteinen und der DNA, wird bedingt durch Modifikationen, welche an konservierten Aminosäuren der Histone etabliert oder entfernt werden. Chromatinmodifikationen haben sich in den letzten Jahren mehr und mehr als Schlüsselfaktoren in der Regulation von Virulenz sowie der Biosynthese von Sekundärmetaboliten (SM) herausgestellt haben. Je nach Art der Modifikation (z.B. Acetylierung oder Methylierung) werden die darunterliegenden Gene an- oder ausgeschaltet. In Fusarium fujikuroi, histone 3 Lysin 27 trimethylierung ist stark involviert in SM Genrepression. Im Gegensatz zu anderen bereits untersuchten Pilzen ist das Gen (KMT6), welches verantwortlich ist für die Etablierung der H3K27me3, in Fusarium fujikuroi essenziell, und bereits eine Reduktion von H3K27me3 hat drastische Auswirkungen auf die Fitness von F. fujikuroi. Interessanterweise schafft F. fujikuroi es die erzwungene H3K27me3 Reduktion zu umgehen, was in Stämmen mit sogar erhöhter KMT6 Aktivität resultiert (KMT6*). Ziel von EpiVit ist es ein tieferes Verständnis der H3K27me3 sowie der Wirkungsweise von Kmt6 in Fusarien des FFC zu gewinnen. Hierzu sollen Untersuchungen durchgeführt werden: (1) zur Bedeutung von Kmt6 in anderen Fusarien des FFC; (2) zur Entstehung der KMT6* Stämme; sowie (3) zur Wechselwirkung zwischen H3K27me3 und anderen relevanten Chromatinmodifikationen (histone crosstalk). Im Zuge des Projektes gewonnene Erkenntnisse werden dabei helfen epigenetische Mechanismen den Lebenszyklus von Pilzen betreffend besser zu verstehen, aber darüber hinaus auch dabei helfen neuartige Strategien in der Wirkstoffforschung zu entwickeln.

H3K27me3 ist ein Kennzeichen des fakultativen Heterochromatins und als solches eng mit dem Gen-Silencing verbunden. In der Gattung Fusarium ist ein großer Teil des Genoms mit dieser Histonmarkierung versehen. Es überrascht nicht, dass seine Entfernung für einige Fusarien, z. B. die Pflanzenpathogene Fusarium fujikuroi und Fusarium mangiferae, aus noch unbekannten Gründen schädlich und sogar tödlich ist. In diesem Projekt konnten wir zeigen, dass Kmt6, die Histon-Methyltransferase, die an der Bildung von H3K27me3 beteiligt ist, in dem eng verwandten Fusarium proliferatum zwar lebenswichtig, aber nicht essentiell ist. Dies ermöglichte zum ersten Mal eine umfassende Analyse des Funktionsverlusts von Kmt6 in einem Mitglied des Fusarium fujikuroi-Spezies-Komplexes (FFSC). Mittels eines "omics"-orientierten Ansatzes analysierten wir die genomweite Verteilung von aktivierenden und silencing Histonmarkierungen im Wildtyp und im fpkmt6-Stamm, die auf einem neu annotierten Genom bis auf Chromosomenniveau kartiert wurden. Neben Kmt6 haben wir gezeigt, dass Kmt1, das an H3K9me3 beteiligt ist, einem Kennzeichen für konstitutives Heterochromatin, bei F. proliferatum und F. mangiferae entbehrlich ist. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu F. fujiikuroi, bei dem der Verlust von H3K9me3 ebenfalls letal ist. Da beide Mutanten, fpkmt1 und fpkmt6, in einem genetischen Hintergrund vorhanden sind, konnten wir zum ersten Mal einen entscheidenden Crosstalk zwischen H3K27me3 und H3K9me3 aufdecken, der in dieser Gattung an fakultativem bzw. konstitutivem Heterochromatin beteiligt ist. Diese Ergebnisse könnten den subtilen Phänotyp der KMT1-Deletion in F. proliferatum und F. mangiferae erklären, der in deutlichem Gegensatz zu anderen Pilzarten steht. Die im Rahmen dieses Projekts gewonnenen Daten deuten auf eine wichtige Rolle von H3K27me3 in der Gattung Fusarium hin, während H3K9me3, obwohl möglicherweise essentiell, durch H3K27me3 ersetzt werden kann.