Structural and functional analysis of mating type locus encoded transcription factors from the Penicillia

• Applicant: Professor Dr. Ulrich Kück
• Subject Area: Metabolism, Biochemistry and Genetics of Microorganisms ; Microbial Ecology and Applied Microbiology
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 299103792

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Kreuzungstyp (engl. Mating type MAT) -kodierte Transkriptionsfaktoren (TF) von Pilzen weisen strukturelle Ähnlichkeiten zu pflanzlichen und tierischen TF auf und regulieren unterschiedlichste Entwicklungsprozesse. wie z.B. Paarungsprozesse im Verlaufe der sexuellen Vermehrung oder auch Stoffwechselprozesse bei denen Sekundärmetaboliten gebildet werden. In diesem DFG geförderten Projekt wurde die Struktur und Expression von Kreuzungstypgenen verschiedener Penicillium-Arten, die eine biotechnologische Relevanz besitzen, untersucht. "Penicillium brevicompactum", ein pilzlicher Produzent des Immunsuppressivum Mycophenolsäure, besitzt einen heterothallischen Lebenszyklus, und trägt entweder den Kreuzungtyp- Locus MAT1-1 oder MAT1-2. Beide Loci kodieren für Transkriptionsfaktoren (TF), die eine konservierte Primärstruktur aufweist, welche Homologien zu Kreuzungstyp TF anderer Aspergillus- und Penicillium-Arten aufweisen. Knock-out Stämmen mit fehlenden Kreuzungstyp Loci waren für Funktionsanalysen eine entscheidende Voraussetzung und haben den molekularen Nachweis erbracht, dass die Kreuzungstyp-Gene sowohl transkriptionell als auch translational exprimiert werden. Die Charakterisierung der Knock-out Stämme im Vergleich zu den Wildtypstämmen hat zudem gezeigt, dass der Kreuzungstyp Locus bei diesem Pilz die Konidiosporenbildung und die Zellmorphologie beeinflusst, und somit entscheidend die Entwicklung dieses biotechnologisch bedeutenden Pilzes kontrolliert. Um Aussagen zur Struktur-Funktion von Kreuzungstyp-kodierten TF zu erhalten, wurden die entsprechenden TFs des Penicillin-Produzenten "Penicillium chrysogenum" und des Humanpathogens "Aspergillus fumigatus" für Kristallisationsexperimente in E. coli synthetisiert. Die darauf erfolgten Versuche zur Kristallisation der Proteine zusammen mit Oligonukleotiden, welche die Erkennungssequenz für den TF tragen, waren erfolgreich und führten zu wesentlichen Ansätzen für die optimale Röntgenstrukturanalyse. Unter anderem konnten Selenomethionin substituierte TFs hergestellt werden, die eine maximale Auflösung von 3.2 Aangström lieferten. Damit konnte zum ersten Mal die dreidimensionale Struktur einer Alpha-Domäne eines Kreuzungstyp-kodierten TF aufgeklärt werden, der eine entscheidende Rolle bei der sexuellen Vermehrung spielt.

Publications

• (2021) The mating type transcription factor MAT1-1-1 from the fungal human pathogen Aspergillus fumigatus: synthesis, purification, and crystallization of the DNA binding domain
  Ramšak B, Kück U, Hofmann E
  
• (2017) Deactivation of the autotrophic sulfate assimilation pathway substantially reduces high-level β-lactam antibiotic biosynthesis and arthrospore formation in a production strain from Acremonium chrysogenum. Microbiology (Reading) 163(6):817-828
  Terfehr D, Kück U
  
• (2017) Penicillin production in industrial strain Penicillium chrysogenum P2niaD18 is not dependent on the copy number of biosynthesis genes. BMC Biotechnol. 17(1):16
  Ziemons S, Koutsantas K, Becker K, Dahlmann T, Kück U
  
• (2017) Sex and the Imperfect Fungi. Microbiol Spectr. 5(3)
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• Transcriptome analysis of the two unrelated fungal β-lactam producers Acremonium chrysogenum and Penicillium chrysogenum: Velvet-regulated genes are major targets during conventional strain improvement programs. BMC Genomics 18(1):272
  Terfehr D, Dahlmann TA, Kück U
  
• (2018) AcAxl2 and AcMst1 regulate arthrospore development and stress resistance in the cephalosporin C producer Acremonium chrysogenum. Curr Genet 64(3):713-727
  Kluge J, Kück U
  
• (2018) Inducible promoters and functional genomic approaches for the genetic engineering of filamentous fungi. Appl Microbiol Biotechnol 102(15):6357-6372
  Kluge J, Terfehr D, Kück U
  
• (2019) Construction of a Codon-Adapted Nourseotricin-Resistance Marker Gene for Efficient Targeted Gene Deletion in the Mycophenolic Acid Producer Penicillium brevicompactum. J Fungi (Basel) 10;5(4):96
  Mahmoudjanlou Y, Hoff B, Kück U
  
• (2020) Mating-Type-Specific Ribosomal Proteins Control Aspects of Sexual Reproduction in Cryptococcus neoformans. Genetics.214(3):635-649
  Ianiri G, Fang YF, Dahlmann TA, Clancey SA, Janbon G, Kück U, Heitman J
  
• (2020) Molecular analysis of mating type loci from the mycophenolic acid producer Penicillium brevicompactum: Phylogeny and MAT protein characterization suggest a cryptic sexual life cycle. Fungal Biol 124(9):821-833
  Mahmoudjanlou Y, Dahlmann TA, Kück U
  
• (2021) The master regulator MAT1-1-1 of fungal mating binds to its targets via a conserved motif in the human pathogen Aspergillus fumigatus. G3 (Bethesda) 11(2):jkaa012
  Ramšak B, Markau J, Pazen T, Dahlmann TA, Krappmann S, Kück U
  
• (2021). Rampant transposition following RNAi loss causes hypermutation and antifungal drug resistance in clinical isolates of a human fungal pathogen
  Priest SJ, Yadav V, Roth C, Dahlmann TA, Kück U, Magwene PM, Heitman J