Teresa Anna Bader

• Die Bedeutung von Mykosen hat wegen der wachsenden Zahl immunsupprimierter Patienten in den letzten Jahren immer mehr zugenommen. Diese erkranken häufig an oberflächlichen sowie lebensbedrohlichen systemischen Infektionen mit dem opportunistisch humanpathogenen Hefepilz Candida albicans, da der Keim, der oftmals als harmloser Kommensale auf den Schleimhäuten im Gastrointestinaltrakt gesunder Menschen vorkommt, vom geschwächten Immunsystem nicht mehr in Schach gehalten werden kann. In dieser Arbeit sollten bestimmte Gene von C. albicans, die inDie Bedeutung von Mykosen hat wegen der wachsenden Zahl immunsupprimierter Patienten in den letzten Jahren immer mehr zugenommen. Diese erkranken häufig an oberflächlichen sowie lebensbedrohlichen systemischen Infektionen mit dem opportunistisch humanpathogenen Hefepilz Candida albicans, da der Keim, der oftmals als harmloser Kommensale auf den Schleimhäuten im Gastrointestinaltrakt gesunder Menschen vorkommt, vom geschwächten Immunsystem nicht mehr in Schach gehalten werden kann. In dieser Arbeit sollten bestimmte Gene von C. albicans, die in anderen Organismen als essentiell für deren Lebensfähigkeit bzw. Virulenz beschrieben wurden, als potentielle Zielstrukturen für die Entwicklung neuer Antimykotika charakterisiert werden. Das CMP1-Gen kodiert für die katalytische Untereinheit der konservierten Calcium/Calmodulin-abhängigen Phosphatase Calcineurin, die in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae und in anderen Organismen verschiedene physiologische Prozesse reguliert und essentiell für die Virulenz des pathogenen Hefepilzes Cryptococcus neoformans ist. Um die Bedeutung von Calcineurin für das Überleben und die Virulenz von C. albicans zu untersuchen, wurden homozygote cmp1 knock-out-Mutanten sowohl in einem auxotrophen C. albicans-Laborstamm als auch, mit Hilfe eines neuen dominanten Selektionsmarkers, in einem prototrophen Wildstamm hergestellt. Die Mutanten erwiesen sich als hypersensitiv gegenüber Natrium, Calcium, Mangan und Lithium sowie gegenüber alkalischem pH-Wert. Darüber hinaus konnten die mutierten Zellen Membranstreß, der durch SDS- oder Fluconazol-Zugabe verursacht wurde, nicht tolerieren und waren unter diesen Bedingungen stark in ihrem Wachstum gehemmt. Andere wichtige Virulenzeigenschaften wie die Toleranz gegenüber Wirts-Körpertemperatur und die Fähigkeit zur Hyphenbildung zeigten sich durch die CMP1-Deletion in vitro nicht beeinträchtigt. Dennoch machte die Anwendung eines murinen Modells einer systemischen Candidose in vivo deutlich, daß die Mutanten sehr stark in ihrer Virulenz attenuiert waren. Der Virulenzdefekt war vermutlich zumindest zum Teil dadurch bedingt, daß die Calcineurin-defizienten Zellen im Gegensatz zum Wildtyp in humanem Serum nicht wachsen konnten und deshalb möglicherweise schlechter über die Blutbahn disseminieren konnten. Außer Calcineurin wurden in Kooperation mit einem Industriepartner drei weitere Gene, YML127, YPR143, und YML93, die in S. cerevisiae als essentiell beschrieben wurden und die keine signifikanten Homologien zu Vertebraten-Genen aufwiesen, in der C. albicans-Genomsequenz identifiziert und auf ihre Eignung als potentielle Targets hin untersucht. Die Funktion dieser Gene war zu Beginn dieser Arbeit unbekannt; vor kurzem wurde jedoch gezeigt, daß sie in S. cerevisiae eine Rolle beim Chromatin-Remodeling bzw. bei der rRNA-Prozessierung haben. Nachdem sich alle Gene auch in C. albicans als essentiell herausgestellt hatten, wurden konditional letale Mutanten hergestellt, in denen die Gene durch induzierbare Deletion mit Hilfe der site-spezifischen Rekombinase FLP aus dem Genom entfernt wurden. Dadurch wurde eine Population von Nullmutanten erhalten, in denen der terminale Phänotyp der Gendeletion analysiert werden konnte. Die funktionelle Analyse des YML127 (RSC9) Gens wies darauf hin, daß es in C. albicans eine ähnliche Funktion hat wie in der Bäckerhefe, in der das Rsc9-Protein ein Bestandteil des RSC-Protein-Komplexes ist, der die Struktur des Chromatins in Abhängigkeit von Zellzyklus und Umweltbedingungen umorganisiert und damit die Aktivität von Genen steuert. Mit Hilfe eines HA-Epitop markierten YML127-Gens konnte das Genprodukt im Zellkern von C. albicans lokalisiert werden. Die C. albicans yml127-Nullmutanten produzierten verlängerte, mehrfach knospende Zellen, was einen Verlust der Koordination zwischen Mitose und Zytokinese vermuten ließ. Die beiden Gene YPR143 und YML93 (UTP14) scheinen wie ihre homologen Vertreter in S. cerevisiae an der Prozessierung der ribosomalen RNA beteiligt zu sein. Heterozygote Mutanten wiesen eine Haploinsuffizienz auf, die sich in einer erhöhten Suszeptibilität gegenüber Hemmstoffen der rRNA-Synthese und der Ribosomenaktivität zeigte, und in den induzierten Nullmutanten akkumulierten Vorstufen der reifen rRNAs. In beiden Fällen führte die Gendeletion zu Anomalien im Zellzyklus; die ypr143-Mutanten wiesen eine vergrößerte unförmige Zellmorphologie auf, und die yml93-Mutanten bildeten große, rundliche Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit erlauben nicht nur wichtige Einblicke in die Funktion der untersuchten Gene in essentiellen zellulären Prozessen, sondern zeigen auch deren Bedeutung für die Virulenz bzw. für das Überleben des humanpathogenen Hefepilzes C. albicans. Die entsprechenden Genprodukte sollten sich deshalb prinzipiell als Angriffspunkte für die Entwicklung neuer antimykotischer Medikamente eignen.…
• The importance of fungal infections has steadily increased during the past decades due to the growing number of immunocompromised patients. These patients often suffer from superficial as well as life-threatening systemic infections with the opportunistic human pathogenic yeast Candida albicans, which is a harmless commensal on mucosal surfaces in many healthy people but cannot be controlled any more by a weakened immune system. On the other hand, virulence traits of the fungus also contribute to its pathogenicity, because they enableThe importance of fungal infections has steadily increased during the past decades due to the growing number of immunocompromised patients. These patients often suffer from superficial as well as life-threatening systemic infections with the opportunistic human pathogenic yeast Candida albicans, which is a harmless commensal on mucosal surfaces in many healthy people but cannot be controlled any more by a weakened immune system. On the other hand, virulence traits of the fungus also contribute to its pathogenicity, because they enable adaptation to different host niches. The success of medical treatment is limited by the emergence of resistance and by toxic side effects of antifungal drugs. Therefore, there is an urgent need to develop novel antimycotic agents. In this work selected C. albicans genes, which were known to be essential for viability or virulence in other organisms, were characterized as potential targets for the development of new antifungal drugs. The CMP1 gene encodes the catalytic subunit of the conserved calcium/calmodulin-dependent phosphatase calcineurin, which regulates a variety of physiological processes in the model yeast Saccharomyces cerevisiae and other organisms and is essential for virulence of the pathogenic yeast Cryptococcus neoformans. To investigate the importance of calcineurin for survival and virulence of C. albicans, homozygous cmp1 knock-out mutants were constructed in an auxotrophic C. albicans laboratory strain as well as, using a new dominant selection marker, in a prototrophic wild-type strain. The mutants showed hypersensitivity to increased concentrations of ions and to alkaline pH. In addition, the mutated cells could not tolerate membrane stress resulting from SDS or fluconazole treatment and their growth was strongly inhibited under these conditions. Other characteristics that are important for virulence, like tolerance to the host body temperature and the ability to switch to a hyphal growth form, were not affected by the CMP1 deletion. Nevertheless, the mutants were avirulent in a murine model of systemic candidiasis. The virulence defect could be explained at least in part by the fact that, in contrast to the wild-type, the cmp1 mutants were unable to grow in human serum and therefore might have a reduced capacity to disseminate via the bloodstream. In addition to CMP1, three other genes, YML127, YPR143, and YML93, were selected in cooperation with an industrial partner from the available C. albicans genome sequence and evaluated as potential targets. These genes had been reported to be essential in S. cervisiae and they did not exhibit significant homology to mammalian genes. At the beginning of the present work the function of the three genes was unknown, but recently it was demonstrated that their counterparts in S. cerevisiae have roles in chromatin remodeling or rRNA processing. It was demonstrated that all three genes are also essential in C. albicans. Therefore, conditional lethal mutants were constructed in which the genes could be excised from the genome by inducible deletion using the site-specific FLP recombinase. In this way, populations of null mutants were obtained in which the terminal phenotype of the gene deletion could be analyzed. The functional analysis of the YML127 (RSC9) gene showed that it has a similar function in C. albicans as in S. cerevisiae, where the Rsc9 protein is a component of the RSC complex that remodels the structure of chromatin in a cell cycle dependent manner and in response to environmental conditions and thereby controls gene activity. Using an HA-epitope-tagged YML127 gene the Yml127 protein could be localized in the nucleus in C. albicans. The C. albicans yml127 null mutants produced elongated, multi-budded cells, pointing to a loss of coordination of mitosis and cytokinesis. The genes YPR143 and YML93 (UTP15) seem to be involved in the processing of the ribosomal RNA, like their counterparts in S. cerevisiae. Heterozygous mutants exhibited a haploinsufficient phenotype, which was evident from their hypersusceptibility to inhibitors of rRNA synthesis and ribosome activity, and the induced null mutants accumulated precursors of the mature rRNAs. In both cases the gene deletion resulted in cell cycle defects; the ypr143 null mutants produced enlarged, misshapen cells, and the yml93 mutants formed large, round cells. The results of this work not only provide valuable clues about the function of the investigated genes in essential cellular processes, but also demonstrate their importance for virulence and viability of the human pathogenic fungus C. albicans. In principle, the corresponding gene products should therefore be suitable targets for the development of novel antifungal drugs.…