Identifizierung von Effektoren der Pheromon-MAPK-Kaskade in Ustilago maydis

Die sexuelle Entwicklung von Ustilago maydis, dem Erreger des Maisbeulenbrandes, wird durch die Fusion zweier haploider Sporidien eingeleitet. Das aus der Zellfusion hervorgehende Dikaryon ist dann in der Lage die Maispflanze zu infizieren. Diese Entwicklungsprozesse werden durch die beiden Paarungstyploci a und b kontrolliert. Der biallelische a-Locus kodiert für ein Pheromon-Pheromonrezeptorsystem, das die Zell-Zellerkennung und die anschließende Zellfusion gewährleistet. Der multiallelische b-Locus kodiert für zwei Homeodomänenproteine, bE und bW, die nur in bestimmten Kombinationen heterodimerisieren und weitere Entwicklungsschritte ermöglichen. Während der Zell-Zellerkennung induziert das Pheromonsignal die Ausbildung von Konjugationshyphen und die Transkription der a- und b-Paarungstypgene. Die Induktion der a- und b-Gene erfolgt über den Transkriptionsfaktor Prf1, der über den cAMP-Signalweg und das Pheromon-MAPK-Modul posttranskriptionell aktiviert wird. Das aktive MAPK-Modul induziert zusätzlich die Transkription von prf1 und ist außerdem für die Ausbildung der Konjugationshyphen verantwortlich. Prf1 wird für die Konjugationshyphenbildung jedoch nicht benötigt. Diese Ergebnisse früherer Arbeiten deuteten auf die Existenz von weiteren unterhalb des MAPK-Moduls agierenden Regulatoren der Pheromonantwort hin. In dieser Arbeit wurden mit Rop1 und Hmg3 zwei HMG-Domänen-Transkriptionsfaktoren identifiziert, die wie Prf1 zur sequenzspezifisch DNA-bindenden Klasse dieser Proteinfamilie gehören. Während hmg3-Deletionsmutanten zwar einen schwachen Zellfusions- und Pathogenitätsdefekt zeigten, jedoch nach Pheromonstimulation Konjugationshyphen bildeten und lediglich eine leicht reduzierte Expression des Pheromongens aufwiesen, führte die Deletion von rop1 zum Verlust der Pheromon-induzierten Genexpression sowie der Konjugationshyphenbildung. Weitere Untersuchungen zeigten, dass rop1 selbst in Stämmen, die eine konstitutiv aktive Variante der MAPKK Fuz7 exprimieren für die Transkription von prf1 sowie die a- und b-Genexpression erforderlich ist. Dieser Ansatz ergab auch, dass rop1 an der Ausbildung von Konjugationshyphen nur indirekt beteiligt ist. Desweiteren wurden die starken Zellfusions- und Filamentationsdefekte von Drop1-Stämmen durch die konstitutive Expression von prf1 komplementiert, was darauf hindeutete, dass Rop1 einen entscheidenden Regulator der prf1-Expression darstellt. Gelretardationsexperimente ergaben dann, dass Rop1 in vitro spezifisch an den prf1-Promotor bindet und ermöglichten ferner die Identifizierung eines DNA-Bindemotivs, das sich in einer Reihe weiterer putativer Promotorregionen des U. maydis Genoms findet. In Northern-Analysen konnte gezeigt werden, dass das genetisch aktivierte MAPK-Modul die rop1-Expression über die MAPK Kpp2 induziert. Im Gegensatz dazu führte die genetische Aktivierung des cAMP-Signalweges zur Repression der rop1-Expression. Überraschenderweise exprimierten rop1-Deletionsmutanten auf der Pflanzenoberfläche ausreichend prf1, um alle Entwicklungsstadien zu durchlaufen und volle Pathogenität zu entwickeln. Dies deutet auf die Existenz von zusätzlichen Regulatoren der prf1-Expression auf der Pflanze hin

Identifizierung von Effektoren der Pheromon-MAPK-Kaskade in Ustilago maydis

Die sexuelle Entwicklung von Ustilago maydis, dem Erreger des Maisbeulenbrandes, wird durch die Fusion zweier haploider Sporidien eingeleitet. Das aus der Zellfusion hervorgehende Dikaryon ist dann in der Lage die Maispflanze zu infizieren. Diese Entwicklungsprozesse werden durch die beiden Paarungstyploci a und b kontrolliert. Der biallelische a-Locus kodiert für ein Pheromon-Pheromonrezeptorsystem, das die Zell-Zellerkennung und die anschließende Zellfusion gewährleistet. Der multiallelische b-Locus kodiert für zwei Homeodomänenproteine, bE und bW, die nur in bestimmten Kombinationen heterodimerisieren und weitere Entwicklungsschritte ermöglichen. Während der Zell-Zellerkennung induziert das Pheromonsignal die Ausbildung von Konjugationshyphen und die Transkription der a- und b-Paarungstypgene. Die Induktion der a- und b-Gene erfolgt über den Transkriptionsfaktor Prf1, der über den cAMP-Signalweg und das Pheromon-MAPK-Modul posttranskriptionell aktiviert wird. Das aktive MAPK-Modul induziert zusätzlich die Transkription von prf1 und ist außerdem für die Ausbildung der Konjugationshyphen verantwortlich. Prf1 wird für die Konjugationshyphenbildung jedoch nicht benötigt. Diese Ergebnisse früherer Arbeiten deuteten auf die Existenz von weiteren unterhalb des MAPK-Moduls agierenden Regulatoren der Pheromonantwort hin. In dieser Arbeit wurden mit Rop1 und Hmg3 zwei HMG-Domänen-Transkriptionsfaktoren identifiziert, die wie Prf1 zur sequenzspezifisch DNA-bindenden Klasse dieser Proteinfamilie gehören. Während hmg3-Deletionsmutanten zwar einen schwachen Zellfusions- und Pathogenitätsdefekt zeigten, jedoch nach Pheromonstimulation Konjugationshyphen bildeten und lediglich eine leicht reduzierte Expression des Pheromongens aufwiesen, führte die Deletion von rop1 zum Verlust der Pheromon-induzierten Genexpression sowie der Konjugationshyphenbildung. Weitere Untersuchungen zeigten, dass rop1 selbst in Stämmen, die eine konstitutiv aktive Variante der MAPKK Fuz7 exprimieren für die Transkription von prf1 sowie die a- und b-Genexpression erforderlich ist. Dieser Ansatz ergab auch, dass rop1 an der Ausbildung von Konjugationshyphen nur indirekt beteiligt ist. Desweiteren wurden die starken Zellfusions- und Filamentationsdefekte von Drop1-Stämmen durch die konstitutive Expression von prf1 komplementiert, was darauf hindeutete, dass Rop1 einen entscheidenden Regulator der prf1-Expression darstellt. Gelretardationsexperimente ergaben dann, dass Rop1 in vitro spezifisch an den prf1-Promotor bindet und ermöglichten ferner die Identifizierung eines DNA-Bindemotivs, das sich in einer Reihe weiterer putativer Promotorregionen des U. maydis Genoms findet. In Northern-Analysen konnte gezeigt werden, dass das genetisch aktivierte MAPK-Modul die rop1-Expression über die MAPK Kpp2 induziert. Im Gegensatz dazu führte die genetische Aktivierung des cAMP-Signalweges zur Repression der rop1-Expression. Überraschenderweise exprimierten rop1-Deletionsmutanten auf der Pflanzenoberfläche ausreichend prf1, um alle Entwicklungsstadien zu durchlaufen und volle Pathogenität zu entwickeln. Dies deutet auf die Existenz von zusätzlichen Regulatoren der prf1-Expression auf der Pflanze hin

Insights from the genome of the biotrophic fungal plant pathogen Ustilago maydis

Ustilago maydis is a ubiquitous pathogen of maize and a well-established model organism for the study of plant-microbe interactions. This basidiomycete fungus does not use aggressive virulence strategies to kill its host. U. maydis belongs to the group of biotrophic parasites (the smuts) that depend on living tissue for proliferation and development. Here we report the genome sequence for a member of this economically important group of biotrophic fungi. The 20.5-million-base U. maydis genome assembly contains 6,902 predicted protein-encoding genes and lacks pathogenicity signatures found in the genomes of aggressive pathogenic fungi, for example a battery of cell-wall-degrading enzymes. However, we detected unexpected genomic features responsible for the pathogenicity of this organism. Specifically, we found 12 clusters of genes encoding small secreted proteins with unknown function. A significant fraction of these genes exists in small gene families. Expression analysis showed that most of the genes contained in these clusters are regulated together and induced in infected tissue. Deletion of individual clusters altered the virulence of U. maydis in five cases, ranging from a complete lack of symptoms to hypervirulence. Despite years of research into the mechanism of pathogenicity in U. maydis, no 'true' virulence factors had been previously identified. Thus, the discovery of the secreted protein gene clusters and the functional demonstration of their decisive role in the infection process illuminate previously unknown mechanisms of pathogenicity operating in biotrophic fungi. Genomic analysis is, similarly, likely to open up new avenues for the discovery of virulence determinants in other pathogens. ©2006 Nature Publishing Group.J.K., M. B. and R.K. thank G. Sawers and U. Kämper for critical reading of the manuscript. The genome sequencing of Ustilago maydis strain 521 is part of the fungal genome initiative and was funded by National Human Genome Research Institute (USA) and BayerCropScience AG (Germany). F.B. was supported by a grant from the National Institutes of Health (USA). J.K. and R.K. thank the German Ministry of Education and Science (BMBF) for financing the DNA array setup and the Max Planck Society for their support of the manual genome annotation. F.B. was supported by a grant from the National Institutes of Health, B.J.S. was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada and the Canada Foundation for Innovation, J.W.K. received funding from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, J.R.-H. received funding from CONACYT, México, A.M.-M. was supported by a fellowship from the Humboldt Foundation, and L.M. was supported by an EU grant. Author Contributions All authors were involved in planning and executing the genome sequencing project. B.W.B., J.G., L.-J.M., E.W.M., D.D., C.M.W., J.B., S.Y., D.B.J., S.C., C.N., E.K., G.F., P.H.S., I.H.-H., M. Vaupel, H.V., T.S., J.M., D.P., C.S., A.G., F.C. and V. Vysotskaia contributed to the three independent sequencing projects; M.M., G.M., U.G., D.H., M.O. and H.-W.M. were responsible for gene model refinement, database design and database maintenance; G.M., J. Kämper, R.K., G.S., M. Feldbrügge, J.S., C.W.B., U.F., M.B., B.S., B.J.S., M.J.C., E.C.H.H., S.M., F.B., J.W.K., K.J.B., J. Klose, S.E.G., S.J.K., M.H.P., H.A.B.W., R.deV., H.J.D., J.R.-H., C.G.R.-P., L.O.-C., M.McC., K.S., J.P.-M., J.I.I., W.H., P.G., P.S.-A., M. Farman, J.E.S., R.S., J.M.G.-P., J.C.K., W.L. and D.H. were involved in functional annotation and interpretation; T.B., O.M., L.M., A.M.-M., D.G., K.M., N.R., V. Vincon, M. VraneŠ, M.S. and O.L. performed experiments. J. Kämper, R.K. and M.B. wrote and edited the paper with input from L.-J.M., J.G., F.B., J.W.K., B.J.S. and S.E.G. Individual contributions of authors can be found as Supplementary Notes

The High-Mobility-Group Domain Transcription Factor Rop1 Is a Direct Regulator of prf1 in Ustilago maydis

In the smut fungus Ustilago maydis, the pheromone signal is transmitted via a mitogen-activated protein kinase module to the high-mobility-group (HMG) domain transcription factor Prf1, leading to its activation. This triggers sexual and pathogenic development since Prf1 binds to the PRE boxes located in the promoters of the a and b mating type genes. Here, we present the characterization of rop1 and hmg3, encoding two additional sequence-specific HMG domain proteins. While hmg3 mutants are slightly impaired in mating and do form conjugation hyphae, rop1 deletion strains display a severe mating and filamentation defect and do not respond to pheromone stimulation. In particular, rop1 is essential for pheromone-induced gene expression in axenic culture. Constitutive expression of prf1 fully complements the mating defect of rop1 mutants, indicating that rop1 is required for prf1 gene expression. Indeed, we could show that Rop1 binds directly to specific elements in the prf1 promoter. Surprisingly, on the plant surface, rop1 deletion strains do form conjugation hyphae and express sufficient amounts of prf1 to cause full pathogenicity. This indicates the involvement of additional components in the regulation of prf1 gene expression during pathogenic growth

Suppression of microRNA Activity in Kidney Collecting Ducts Induces Partial Loss of Epithelial Phenotype and Renal Fibrosis

microRNAs (miRNAs) are sequence-specific inhibitors of post-transcriptional gene expression. The physiologic function of these noncoding RNAs in postnatal renal tubules still remains unclear. Surprisingly, they appear to be dispensable for mammalian proximal tubule (PT) function. Here, we examined the effects of miRNA suppression in collecting ducts (CDs). To conclusively evaluate the role of miRNAs, we generated three mouse models with CD-specific inactivation of key miRNA pathway genes Dicer, Dgcr8, and the entire Argonaute gene family (Ago1, 2, 3, and 4). Characterization of these three mouse models revealed that inhibition of miRNAs in CDs spontaneously evokes a renal tubule injury-like response, which culminates in progressive tubulointerstitial fibrosis (TIF) and renal failure. Global miRNA profiling of microdissected renal tubules showed that miRNAs exhibit segmental distribution along the nephron and CDs. In particular, the expression of miR-200c is nearly 70-fold higher in CDs compared with PTs. Accordingly, miR-200s are downregulated in Dicer-KO CDs, its direct target genes Zeb1, Zeb2, and Snail2 are upregulated, and miRNA-depleted CDs undergo partial epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). Thus, miRNAs are essential for CD homeostasis. Downregulation of CD-enriched miRNAs and the subsequent induction of partial EMT may be a new mechanism for TIF progression

PDAC-derived exosomes enrich the microenvironment in MDSCs in a SMAD4-dependent manner through a new calcium related axis

Tumor genetics and escape from immune surveillance concur in the poor prognosis of PDAC. In this study an experimental model was set up to verify whether SMAD4, deleted in about 55% PDAC and associated with poor prognosis, is involved in determining immunosuppression through Exosomes (Exo). Potential mechanisms and mediators underlying SMAD4-dependent immunosuppression were evaluated by studying intracellular calcium (Fluo-4), Exo-miRNAs (microarray) and Exoproteins (SILAC). Two PDAC cell lines expressing (BxPC3-SMAD4+) or not-expressing (BxPC3) SMAD4 were used to prepare Exo-enriched conditioned media, employed in experiments with blood donors PBMCs. Exo expanded myeloid derived suppressor cells (gMDSC and mMDSC, flow cytometry) and altered intracellular calcium fluxes in an SMAD4 dependent manner. BxPC3-SMAD4+, but mainly BxPC3 Exo, increased calcium fluxes of PBMCs (p = 0.007) and this increased intracellular calcium trafficking characterized mMDSCs. The analysis of de-regulated Exo-miRNAs and transfection experiments revealed hsa-miR-494-3p and has-miR-1260a as potential mediators of SMAD4-associated de-regulated calcium fluxes. Eleven main biological processes were identified by the analysis of SMAD4-associated de-regulated Exo-proteins, including translation, cell adhesion, cell signaling and glycolysis. A reverse Warburg effect was observed by treating PBMCs with PDAC-derived Exo: BxPC3 Exo induced a higher glucose consumption and lactate production than BxPC3-SMAD4+ Exo. Conclusion: PDAC-derived Exo from cells with, but mainly from those without SMAD4 expression, create an immunosuppressive myeloid cell background by increasing calcium fluxes and glycolysis through the transfer of SMAD4-related differentially expressed miRNAs and proteins

Relevance of pre-analytical blood management on the emerging cardiovascular protein biomarkers TWEAK and HMGB1 and on miRNA serum and plasma profiling

Background Disease-independent sources of biomarker variability include pre-analytical, analytical and biological variance. The aim of the present study was to evaluate whether the pre-analytical phase has any impact on the emerging heart disease TWEAK and HMGB1 protein markers and miRNA biomarkers, and whether peptidome profiling allows the identification of pre-analytical quality markers. Methods An assessment was made of sample type (serum, EDTA-Plasma, Citrate-Plasma, ACD-plasma, Heparin-plasma), temperature of sample storage (room temperature or refrigerated), time of sample storage (0.5, 3, 6 and 9 h) and centrifugation (one or two-step). Aliquots of all processed samples were immediately frozen ( 12 80 \ub0C) before analysis. Proteins were assayed by ELISAs, miRNA expression profile by microarray and peptidome profiling by MALDI-TOF/MS. Results Temperature, time and centrifugation had no impact on TWEAK and HMGB1 results, which were significantly influenced by matrix type, TWEAK levels being significantly higher (F = 194.7, p < 0.0001), and HMGB1 levels significantly lower (F = 36.32, p < 0.0001) in serum than in any other plasma type. Unsuitable miRNA results were obtained using Heparin-plasma. Serum miRNA expression profiles depended mainly on temperature, while EDTA-plasma miRNA expression profiles were strongly affected by the centrifugation method used. MALDI-TOF/MS allowed the identification of seven features as indices of pre-analytical serum (m/z at 1206, 1350, 1865 and 2021) or EDTA-plasma (m/z 1897, 2740 and 2917) degradation. Conclusions Serum and EDTA-plasma allow the analysis of both proteins and miRNA emerging biomarkers of heart diseases. Refrigerated storage prevents an altered miRNA expression profile also in cases of a prolonged time-interval between blood drawing and processing