The Aspergillus fumigatus Vap-Vip methyltransferase pathway modulates stress response, secondary metabolism and azole resistance

by Hugo Amoedo Machi
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-07-24
Date of issue:2019-07-11
Advisor:Prof. Dr. Gerhard Braus
Referee:Prof. Dr. Gerhard Braus
Referee:Prof. Dr. Stefanie Pöggeler
Referee:Prof. Dr. Ralph Kehlenbach
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7556

 

 

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Abstract

English

The VapA-VapB-VipC trimeric complex is part of an epigenetic developmental control pathway of A. nidulans. VeA-interacting protein (VipC) and VipC-associated protein B (VapB) are methyltransferases, and VapA is a zinc-finger membrane protein. This complex integrates and translocates environmental signals from the membrane to the nucleus for the control of development through changes in gene expression. Genome analysis of several Aspergillus species revealed the presence of different Vap-Vip pathways variants not only among the Aspergilli but also within the strains of the human opportunistic pathogen A. fumigatus. Some strains, such as A1160, a gene duplication event resulted in two paralogues genes coding for AfVipC1 and AfVipC2. There are also strains, such as AfS35, that have lost AfvapB gene and carry an AfvapA, AfvipC1 and AfvipC2 genotype, which is much more abundant in nature. This work introduces a novel and highly dynamic mechanism by which A. fumigatus can adapt to changing environmental conditions. This fungus has a gene loss or gene duplication system to adapt to different niches. In A. fumigatus AfS35, VapA, VipC1 and VipC2 present similar features to their homologues in A. nidulans and are interacting under vegetative and asexual conditions. The loss of at least one of the methyltransferases, vipC1 or vipC2, promotes resistance against the menadione-induced oxidative stress. In contrast, deletion of vipC2 alone or together with vapA increase the sensitivity to sorbic acid. In the A1160 strain with the Vap-Vip configuration of all four genes (vapA, vapB, vipC1 and vipC2), loss of vipC2 has the opposite effect and increases the sensitivity against menadione and the resistance to sorbic acid. In the AfS35 strain, deletion of vipC2 leads to an overexpression of the master regulator of asexual development, brlA, and two genes involved in the fumiquinazolines synthesis, fmqA and fmqC, which results in an accumulation of fumiquinazoline intermediates (FQA, FQC/D, FQF). VipC2 also affects the production of pigments and other secondary metabolites, especially under blue-light conditions. Loss of vipC2 results in an upregulation of the drug efflux transporter genes, abcA and abcB, which leads to an increased resistance against voriconazole and itraconazole in the AfS35 strain. In summary, this study presents experimental evidences that homologues of VapA, VapB and VipC proteins in A. fumigatus AfS35 interact and play a role in the control of stress response, secondary metabolism and anti-azole drug resistance, and these effects are modulated by their genomic environment.
Keywords: Aspergillus fumigatus; anti-azole resistance; secondary metabolism; vap-vip complex; stress response; methyltransferases; epigenetics; environment adaptation

German

Der VapA-VapB-VipC trimerische Komplex ist Teil einer epigenetischen Kontrolle für die Entwicklung in A. nidulans. VipC (VeA-interacting protein C) und VapB (VipC-associated protein B) sind Methyltransferasen und VapA ist ein Zink-finger-enthaltendes Membraneprotein. Dieser Komplex integriert Umweltsignale und leitet sie von der Membran an den Zellkern weiter. Er kontrolliert so die Entwicklung durch Änderungen in der Genexpression. Genomanalysen mehrerer Aspergillus Arten zeigten, dass unter ihnen und speziell in verschiedenen A. fumigatus Stämmen verschiedene Vap-Vip Varianten existieren. Stämme dieses Pilzes, etwa A1160, haben eine seltene Variante, welche neben den Genen für AfVapA, AfVapB und AfVipC, wie in A nidulans, eine Genduplikation aufweisen, die in zwei paralogen Genen für AfVipC1 und AfVipC2 resultiert. Andere Stämme, wie etwa AfS35, haben das Gen AfvapB verloren und tragen die Gene AfvapA, AfvipC1 und AfvipC2. Diese Variante ist in der Natur weit verbreitet. Die vorliegende Arbeit stellt einen neuen, sehr dynamischen Mechanismus vor, durch welchen sich A. fumigatus an wechselhafte Umweltbedingungen anpassen kann. Durch ein Genverlust- oder Genverdopplungssystem kann sich der Pilz an unterschiedliche Nischen anpassen. VapA, VipC1 und VipC2 in A. fumigatus AfS35 haben ähnliche Eigenschaften, wie ihre Homologe in A. nidulans und interagieren unter vegetativen und asexuellen Bedingungen. Der Verlust mindestens einer dieser Methyltransferasen, vipC1 oder vipC2, verleiht Resistenz gegen Menadion-induzierten oxidativen Stress. Dagegen erhöht die Deletion von vipC2 oder von vipC2/vapA die Sensititvität für Sorbinsäure. In A1160, einem Stamm mit der Vap-Vip Konfiguration aller vier Gene, bewirkt der Verlust von vipC2 den gegenteiligen Effekt und erhöht die Sensitivität für Menadion und die Sorbinsäureresistenz. Deletion von vipC2 in dem Stamm AfS35 führt zur Überexpression von brlA, fmqA und fmqC, was in einer Akkumulation von Intermediaten von Fumiquinazoline (FQA, FQC/D, FQF) resultiert. VipC2 hat Einfluss auf die Produktion von Pigmenten und anderen Sekundärmetaboliten, besonders während des Wachstums in blauem Licht. Verlust von vipC2 resultiert zu der Hochregulation von abcA und abcB drug efflux transporter Genen, was zu einer erhöhten Resistenz gegen Voriconazole und Itraconazole in dem AfS35 Stamm führt. Diese Studie zeigt, dass die homologen VapA, VapB und VipC Proteine in A. fumigatus AfS35 miteinander interagieren und eine Rolle in der Kontrolle von Stressantwort, Sekundärmetabolismus und Azol-Antimykotika Resistenz spielen. Diese Effekte werden durch die genetische Ausstattung moduliert.
 
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