Die kombinatorische Regulation eines Transkriptions-Netzwerks reguliert die Pflanzeninfektion von Ustilago maydis

Der Basidiomyzet Ustilago maydis besitzt einen dimorphen Lebenszyklus, bei dem sexuelle und pathogene Entwicklung eng miteinander verknüpft sind und in Verbindung mit der Wirtspflanze Mais ablaufen. Die komplexen Entwicklungsveränderungen müssen streng reguliert werden und erfordern die Integration verschiedenster Signalwege.
Der Wechsel von hefeartigem, saprophytischem Wachstum zur Ausbildung des pathogenen dikaryotischen Filaments wird durch ein eng verbundenes Netzwerk aus Transkriptionsfaktoren kontrolliert. Dieses Netzwerk integriert die Pheromon-Perzeption zweier kompatibler Sporidien, wodurch die Zellfusion ermöglicht wird, sowie den anschließenden Beginn der biotrophen Entwicklung durch die Bildung des heterodimeren bE/bW-Transkriptionsfaktorkomplexes. ... mehrDas bE/bW-Heterodimer löst eine Regulationskaskade aus, die maßgeblich vom Master-Regulator Rbf1 gesteuert wird. Während der Pflanzenpenetration wird die Funktion beider Proteine durch die Wechselwirkung mit Clp1 gehemmt; zu einem späteren Zeitpunkt ist die Expression des "Hauptreglers" Rbf1 nicht mehr nachweisbar. Die b-Kaskade wird weitestgehend reprimiert. Die Expression von bE/bW allein reicht aus, um eine pathogene Entwicklung auszulösen. Die ektopische Expression von Rbf1 löst die initialen Schritte der pathogenen Entwicklung aus. Das betont die zentrale Rolle beider Faktoren.
Durch eine Kombination von RNA- und ChIP-Seq Analysen konnte ich die komplexe Kontrolle von Genen durch bE/bW, Rbf1 und Hdp1 während des Übergangs zur pathogenen Entwicklung zeigen. Sowohl Promotor-Bindung als auch Expressionsdaten zeigen eine komplexe Kontrolle durch bE/bW-Rbf1 und Hdp1-Rbf1 Interaktion und damit verbundene kombinatorische DNA-Bindung.
Hdp1 beeinflusst sowohl die prf1- als auch die b-Expression und reagiert sowohl auf Pheromon-Signale als auch auf die Zellfusion und verbindet die b-Kaskade weiter mit dem über Prf1 gesteuerten Pheromon-Signalweg.
Die beiden für die Pflanzeninfektion essentiellen Transkriptionsfaktoren Biz1 und Hdp2 übernehmen zu einem späteren Zeitpunkt die zentrale Funktion von Rbf1. Ustilago maydis verwendet unterschiedliche kombinatorisch wirkende Regulatoren um die verschiedenen Signale vor und nach der Infektion der Pflanze zu integrieren und/oder zu differenzieren. Das transkriptionelle Netzwerk, das die Transition von
saprophytischem zu biotrophem Wachstum reguliert, ist hierarchisch aufgebaut und lässt sich in Entwicklungsstadium-abhängige Module aufgliedern, die ihrerseits wiederum hierarchisch gegliedert sind. Aufeinanderfolgende Wellen von Transkriptionsfaktoren regulieren gemeinsam die kritischen Veränderungen die mit der Lebensweise von Ustilago maydis einhergehen.
Darüber hinaus konnte in dieser Arbeit der Grundstein für ein CrisprCas basiertes System zur Anreicherung spezifischer DNA-Bereiche mit assoziierten Molekülen gelegt werden. In weiterführenden Experimenten, bei denen die „gene centered“ Analyse von DNA-bindenen Proteinen im Vordergrund steht, wird es möglich sein, weitere Knotenpunkte des Netzwerks zu identifizieren und darüber hinaus die Integration von essentiellen pflanzenspezifischen Signalen zu verstehen.

Complex developmental changes require strict regulatory Inputs from diverse signaling pathways. In the dimorphic basidiomycete Ustilago maydis, sexual and pathogenic development are closely linked and take place in conjunction with the host plant maize.
The change from yeast-like saprophytic growth to formation of pathogenic filamentous hyphae is controlled by a closely interconnected and cross-controlled network of transcription factors. The network integrates pheromone signaling during the mating-associated cell fusion events as well as the subsequent onset of the biotrophic development by formation of the bE/bW heterodimeric transcription factor complex. ... mehrbE/bW activation triggers the expression of Rbf1, the master regulator for most bE/bW-regulated genes. bE/bW expression alone is sufficient to trigger pathogenic development, ectopic Rbf1 expression at least initiates pathogenic development, stressing the central role of both factors. During plant penetration, function of both proteins is inhibited by the interaction with Clp1; at later stages, expression of the “master regulator” Rbf1 is not detectable.
Via a combination of RNA- and ChIP-Seq analysis, I was able to elucidate the complex control of bE/bW, Rbf1 and Hdp1 of genes during the switch to pathogenic development on various promoters. Both promoter-binding as well as expression data show a complex control through bE/bW-Rbf1 and Rbf1-Hdp1 interaction and combinatorial binding.
Hdp1 influences both prf1- and b-expression and responds to pheromone signaling and cell fusion, providing an additional link between the b-cascade to the Prf1-directed pheromone pathway.
After plant infection, the two transcription factors Biz1 and Hdp2, both essential for plant infection, overtake the central function of Rbf1. Apparently, U. maydis uses distinct sets of regulators to integrate and/or differentiate the different signals before and after infecting its plant host.
The transcriptional network that regulates the transition from saprophytic to biotrophic growth is hierarchical and can be broken down into development-stage-dependent modules, which in turn are hierarchically structured. Successive waves of transcription factors regulate the critical changes in the lifestyle of Ustilago maydis in a combinatorioal way.
In addition, the basis for a CrisprCas-based system for the enrichment of specific DNA areas together with associated proteins could be laid in this work. In further "gene-centered" analyses of DNA-binding proteins, it is expected to identify further nodes of the network, and to understand the integration of essential plant-specific signals.