Regulation von frühen Endosomenpopulationen bei Transportprozessen und der Zellteilung in Ustilago maydis

Der Basidiomyzet Ustilago maydis ist ein wichtiger Modellorganismus für filamentöse,
pflanzenpathogene Pilze. Die pathogene Phase beginnt im Anschluss an eine Fusion
von zwei kompatiblen haploiden Sporidien, welche ein dikaryotisches Filament
ausbilden. In diesem filamentösen Stadium ist der Langstreckentransport durch frühe
Endosomen von besonderer Bedeutung, da diese Vesikel beispielsweise Proteine und
mRNA in der Zelle verteilen.
Die Verteilung und Fusion der frühen Endosomen werden über den konservierten
CORVET-Komplex gesteuert. Der CORVET-Komplex besteht aus den vier
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Kernkomponenten Vps11, Vps16, Vps18 und Vps33, welche gleichzeitig den Kern des
HOPS-Komplexes an den späten Endosomen bilden. Beide Komplexe unterscheiden
sich in zwei zusätzlichen Untereinheiten, welche die spezifische Bindung des
CORVET-Komplex (Vps3, Vps8) an die frühen und des HOPS-Komplex (Vps39,
Vps41) an die späten Endosomen vermitteln. Nma1 wurde in Vorarbeiten als
Interaktionspartner der Vps3-Untereinheit identifiziert und nimmt über diese Bindung
Einfluss auf die Funktion des CORVET-Komplexes und damit auf die Fusion der frühen
Endosomen. Die Population der frühen Endosomen in U. maydis zeigt funktionelle
Redundanz, in Bezug auf ihre beiden spezifischen Rab5-GTPasen Rab5a und Rab5b
und deren Interaktion mit dem CORVET-Komplex. Nma1 beeinflusst den
CORVET-Komplex über eine Maskierung der Interaktion der CORVET-spezifischen
Untereinheit Vps3 mit den frühen Endosomen. Dadurch erfolgt eine Kontrolle der
Fusionsrate von frühen Endosomen und stellt sicher, dass für die
Langstreckentransportprozesse stets die benötigte Anzahl an frühen Endosomen zur
Verfügung steht.
Neben der Lokalisierung von Nma1 über Vps3 auf den frühen Endosomen konnte auch
eine Assoziierung mit dem Mikrotubulizytoskelett beobachtet werden. Die
Lokalisierung entlang der Mikrotubulifilamente ist unabhängig von endosomalen
Transportvorgängen. Während der mitotischen Zellteilung ist die Rab5a-GTPase,
welche mit den frühen Endosomen assoziiert ist, für die Spindelstabilität, die
zyklusphasenabhängige Koordination der Ausbildung von astralen Mikrotubuli und die
Zytokinese im Anschluss an die Mitose relevant. Über Nma1, welches eine
SMC-Domäne enthält (structural maintenance of chromosomes), erfolgt die
Lokalisierung von Rab5a an die Spindelpolkörper. Eine Funktion der frühen
Endosomen bei der Anheftung der Kinetochore an die Mitosespindel wurde auch für
Säugetierzellen beschrieben. Ergänzend wurde die Lokalisierung von Rab5a und der
zweiten Rab5-GTPase aus U. maydis, Rab5b, an der Zytoplasmabrücke für die
Zytokinese nachgewiesen. Denkbar ist eine Funktion beim Transport von Septinen und
Proteinen mit Relevanz für die Abschnürung von Mutter- und Tochterzelle.
Während Rab5a in U. maydis Funktionen an der Mitosespindel erfüllt, gibt es
Anhaltspunkte, dass Rab5b essenziell für die korrekte Chromosomensegregation
während der Meiose ist. Die Deletion von rab5b führt in Stämmen, welche die
meiotische Teilung durchlaufen zu einer fehlerhaften Chromosomenverteilung und
daraus resultierend zu genomischer Instabilität und Aneuploidie. Um die speziellen
Anforderungen für die Zellteilung bei Meiose und Mitose zu erfüllen, kommen häufig
verschiedene, jedoch strukturähnliche Proteine zum Einsatz. Eine Funktion der frühen
Endosomen während Zellteilungsvorgängen, bisher in Pilzen nicht bekannt, wurde in
Säugetierzellen nachgewiesen. Die beobachteten Funktionen von Rab5b bei der
meiotischen Zellteilung und Funktionen von Rab5a bei der Mitose deuten auf einen
evolutionär konservierten Mechanismus hin.

The basidiomycete Ustilago maydis is an important model organism for plant
pathogenic, filamentous fungi. The pathogenic stage starts after fusion of two
compatible sporidia, which grow as a dikaryotic filament henceforward. Within the
filament, long distance transport by early endosomes is of particular importance, as
these vesicles for example transport protein cargo and mRNA through the cell.
Sorting of early endosomes and homotypic fusion events are mediated by the
CORVET complex. CORVET consists of the four core components, Vps11, Vps16,
Vps18 and Vps33, which are also represented in the late endosomal HOPS complex.
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Both complexes differ in two additional subunits which guarantee specific binding of
CORVET (Vps3, Vps8) to early endosomes and of HOPS (Vps39, Vps41) to late
endosomes for fusion of these endocytic compartments. We have previously identified
Nma1 as an interactor for CORVET. Nma1 is influencing the function of CORVET
complex in order to adjust the early endosomal fusion. The population of early
endosomes in U. maydis shows functional redundancy regarding their specific Rab
GTPases Rab5a and Rab5b and their interaction with CORVET complex. Nma1
influences the CORVET complex by protecting the binding of the specific subunit Vps3
to early endosomes, in order to control endosomal fusion. This mechanism guarantees
an extended availability of the subpopulation of early endosomes involved in long
distance transport processes.
An association of Nma1 with the microtubule cytoskeleton has been discovered in
addition to localization of Nma1 via Vps3 to early endosomes even when endosomal
transport has been abolished. During mitotic cell division the early endosome
associated Rab5a GTPase ensures stability of the spindle, cell cycle dependent
formation of astral microtubules and cytokinesis. In combination with Nma1, which
contains a SMC domain (structural maintenance of chromosomes), Rab5a is localized
at the spindle pole body. The importance of early endosomes for the proper attachment
of chromosomal kinetochors to spindle microtubules has been described in
mammalian cells. Additionally localization of both Rab5a and Rab5b at the cytoplasmic
bridge for cytokinesis in U. maydis could be shown in this study. Presumably they fulfill
functions for transport of septins and other proteins for successful separation of mother
and daughter cells.
While Rab5a in U. maydis is involved in the mitotic cell division Rab5b appears to be
essential for proper segregation of chromosomes during meiosis. Deletion of rab5b
causes incorrect chromosome separation during meiosis, resulting in genomic
instability and aneuploidy. To fulfill the specialized requirements for meiosis and
mitosis the usage of different yet structurally similar proteins is common. A function of
early endosomes during nuclear cell division, previously not known in fungi, is known
from mammalia. The obervation of Rab5b functions for meiotic cell division and Rab5a
functions for mitosis indicate an evolutionary conserved mechanism.