Analyse der UPR vermittelten Stressantwort und ihrer Funktion während der biotrophen Entwicklung von<i> Ustilago maydis</i>

Abstract

Die Unfolded Protein Response (UPR) ist ein in Eukaryoten konservierter Signalweg, der durch Akkumulation von un-/fehlgefalteten Proteinen im endoplasmatischen Retikulum (ER) aktiviert wird um die Proteinhomöostase zu gewährleisten. In <i>Saccharomyces cerevisiae</i> wird die UPR durch den ER-Stresssensor Ire1p und den bZIP Transkriptionsfaktor Hac1p, oder XBP1 in höheren Eukaryoten, reguliert. In dieser Arbeit konnten die Homologe der zentralen UPR-Regulatoren im biotrophen Pilz <i>Ustilago maydis</i> charakterisiert und die UPR als essenzieller Koordinator der pathogenen Entwicklung identifiziert werden. Die Komplementation der <i>∆HAC1</i> Mutante durch <i>cib1</i> (Homolog von <i>HAC1</i>) und umfassende Expressionsanalysen zeigten, dass die Regulationsmechanismen der UPR in <i>U. maydis</i> weitestgehend konserviert sind, das Spektrum der regulierten Zielgene jedoch sekretierte Virulenzfaktoren beinhaltet die für die pathogene Entwicklung notwendig sind. So konnten durch <i>in silico</i> Vorhersage möglicher Cib1 Bindestellen (UPRE) mit pit1/pit2 und tin1-1 drei bereits charakterisierte Effektorgene als direkt regulierte UPR-Zielgene identifiziert werden. Die gezielte Deletion des vorhergesagten UPREs führt zu einer Aufhebung der ER-Stress induzierten und Cib1 abhängigen Expression von pit2 und verringert die Virulenz signifikant. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine funktionelle UPR sowohl notwendig für eine verstärkte Expression wie auch für die korrekte Prozessierung des Pit2-Effektors innerhalb des ERs ist. Im Gegensatz zur Bäckerhefe <i>S. cerevisiae</i> und den filamentösen Ascomyceten <i>Aspergillus niger</i> und <i>Trichoderma reseei</i> kodiert die ungespleißte XBP1 mRNA in höheren Eukaryoten für einen negativen Regulator der UPR. Mit den vorliegenden Untersuchungen in <i>U. maydis</i> konnte erstmals für niedere Eukaryoten gezeigt werden, dass die ungespleißte cib1 mRNA für einen negativen Regulator kodiert, der darüber hinaus eine bislang unbeschriebene und vermutlich konservierte Funktion in der Antwort auf ER-Stress besitzt. Die genaue Kontrolle der UPR-Aktivität ist Voraussetzung für die korrekte Ausführung der verschiedenen Schritte innerhalb der pathogenen Entwicklung von <i>U. maydis</i>. Während eine vorzeitige UPR-Aktivierung zur Inhibition des zur Pflanzeninfektion notwendigen filamentösen Wachstums führt, ist die gezielte Aktivierung der UPR nach erfolgreicher Penetration der Pflanzenoberfläche und ihre andauernde Aktivität während des Wachstums <i>in planta</i> notwendig für die pathogene Entwicklung. Die direkte Interaktion zwischen Cib1 und dem Entwicklungsregulator Clp1 während dieser Entwicklungsphase führt zur Stabilisierung von Clp1 und der Modulation der Cib1 abhängigen Genexpression. Auf diese Weise wird die Proliferation <i>in planta</i> ermöglicht und eine erhöhte ER-Stressresistenz vermittelt. Zusammenfassend zeigen die gewonnenen Ergebnisse, dass die UPR in <i>U. maydis</i> als Kontrollpunkt dient, um die zelluläre Physiologie, den Entwicklungsverlauf und die Sekretion von Effektoren aufeinander abzustimmen.