Characterization of NDR kinase signalling pathways during septum formation in Neurospora crassa

Abstract

Die Zellteilung/Zytokinese ist ein grundlegender zellulärer Prozess und essentiell für das Wachstum von einzelligen und mehrzelligen Organismen. Reguliert wird dieser Prozess durch komplexe molekulare Mechanismen sowie einer Vielzahl von interaktiven Netzwerken. In Pilzen koordiniert eine Kinase-Kaskade, das Septierungs-Initiierungs Netzwerk (SIN) das Fortschreiten des Zellzyklus mit dem Beginn der Zellteilung und kontrolliert die Septenbildung. Fehlregulation des homologen Hippo Netzwerks in Tieren führt zu Gewebewucherungen und Tumorbildung, was die konservierte Bedeutung dieser Regulationsnetzwerke in verschiedenen Organismen unterstreicht. Obwohl die Septenbildung essentiell für das Wachstum und die Differenzierung von Schimmelpilzen ist, bleibt die Frage wie die Septierung reguliert wird und aus welchen Komponenten sich das SIN Netzwerk in filamentösen Pilzen zusammensetzt bisher noch unbeantwortet. Mit Hilfe von in silico Analysen konnten homologe Proteine für fast alle SIN Netzwerk Komponenten im Modellorganismus Neurospora crassa identifiziert werden. Die Analyse dieser vorhergesagten SIN Komponenten ermöglichte die Charakterisierung der SIN-Kinase-Kaskade, bestehend aus CDC-7, SID-1 und DBF-2 sowie den entsprechenden, regulatorischen Untereinheiten CDC-14 und MOB-1. Es konnte gezeigt werden, dass DBF-2 durch SID-1 am hydrophoben Motiv phosphoryliert und aktiviert wird und dass eine SID-1 abhängige Stimulation von DBF-2 durch Zugabe von CDC-7 weiter gesteigert wird. Diese Daten liefern den ersten biochemischen Nachweis für die schrittweise Aktivierung einer dreistufigen SIN-Kinase-Kaskade in Pilzen. Es wurde weiterhin gezeigt, dass die gesamte SIN Kaskade konstitutiv und Zellzyklus unabhängig an den Spindelpolkörpern akkumuliert und dass alle SIN Proteine an kontrahierenden Septen lokalisieren. Demzufolge ist im Gegensatz zu den einzelligen Pilzen die Lokalisation und Aktivität der SIN Komponenten in Synzytium-bildenden Ascomyzeten Zellzyklus unabhängig. Darüber hinaus deutet die Charakterisierung von DBF-2 Mutanten, in denen die beiden regulatorischen Aminosäuren (Ser499 and Thr671) mutiert sind, darauf hin, dass ein dynamischer Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungszyklus des Ser499 entscheidend für die Aktivität und Funktion von DBF-2 in N. crassa ist. Diese Daten haben Einfluss auf das allgemeine Verständnis der Aktivierung von NDR Kinasen, denn bisher wurde für NDR Kinasen höherer Eukaryonten eine folgegebundene Phosphorylierung beider regulatorischer Reste angenommen. Der Ste20-verwandten Kinase MST-1 konnte eine Funktion als SIN-assoziierte Kinase, die parallel zu SID-1 agiert, zugeordnet werden. SID-1 und MST-1 werden auf entgegengesetzte Weise von der oberhalb agierenden SIN Kinase CDC-7 reguliert, was nahelegt, dass MST-1 für die Feinabstimmung des SIN erforderlich ist. Lifeact- und Formin-GFP Reporter Konstrukte zeigten, dass in der Δmst-1 Mutante abnormale, kortikale Actomyosin-Ringe gebildet werden, was eine Fehlpositionierung der Septen und die Bildung von unregelmäßigen Spiralen zur Folge hat. Diese Defekte entsprechen partiell jenen der MOR Mutanten. Diese Mutanten weisen ein defektes NDR Kinase Netzwerk auf, welches für das polare Wachstum verantwortlich ist (MOR). Es stellte sich heraus, dass MST-1 mit den zentralen MOR Kinasen POD-6 und COT-1 interagiert und sowohl die SIN Effektor Kinase DBF-2 als auch die MOR Effektor Kinase COT-1 aktiviert. Somit fungiert MST-1 als dual-spezifisches Enzym. Eine weitere Vernetzung beider Signalwege ist durch die Bildung von Heterodimeren gegeben. Die in dieser Studie identifizierten verschiedenen Ebenen der Vernetzung des SIN und MOR, sowie entsprechende Daten aus anderen Modellorganismen wie S. pombe und D. melanogaster, lassen vermuten, dass antagonistische Interaktionen zwischen homologen NDR Kinase Netzwerken ein genereller Mechanismus zur Koordination beider Signalwege darstellt und auch in höheren Organismen konserviert ist. Durch die Annotierung mehrerer Pilzgenome wurden zahlreiche Gene mit einer Homologie zu den S. cerevisiae BUD Genen auch in filamentösen Pilzen identifiziert. Epistatische und biochemische Analysen ergaben, dass das MOR Netzwerk als negativer Regulator der Septenbildung oberhalb des BUD komplex fungiert und dass COT-1 im Gegensatz zu DBF-2, die beiden Septierungsmarkerproteine BUD-3/BUD-4 phosphoryliert. Folglich könnte die Regulation von BUD-3 (und eventuell auch BUD-4) durch COT-1 ein Mechanismus des MOR Netzwerks sein, um die Septenbildung in N. crassa zu inhibieren.