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Etablierung eines Tetrazyklin-induzierbaren Genexpressionssystems und Analyse des White-Opaque-Switchings in Candida albicans

Establishment of a tetracycline-inducible gene expression system and anlysis of White-Opaque switching in Candida albicans

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-19451
  • Der Hefepilz Candida albicans kommt bei den meisten gesunden Menschen als harmloser Kommensale auf den Schleimhäuten des Verdauungs- und Urogenitaltraktes vor, kann aber insbesondere bei immunsupprimierten Patienten sowohl lokal beschränkte mukokutane als auch lebensbedrohliche systemische Infektionen verursachen. C. albicans zeichnet sich durch eine große morphologische Variabilität aus, die dazu beiträgt, dass der Pilz viele unterschiedliche Wirtsnischen erfolgreich besiedeln und infizieren kann. Neben dem durch Umweltsignale gesteuertenDer Hefepilz Candida albicans kommt bei den meisten gesunden Menschen als harmloser Kommensale auf den Schleimhäuten des Verdauungs- und Urogenitaltraktes vor, kann aber insbesondere bei immunsupprimierten Patienten sowohl lokal beschränkte mukokutane als auch lebensbedrohliche systemische Infektionen verursachen. C. albicans zeichnet sich durch eine große morphologische Variabilität aus, die dazu beiträgt, dass der Pilz viele unterschiedliche Wirtsnischen erfolgreich besiedeln und infizieren kann. Neben dem durch Umweltsignale gesteuerten Wechsel zwischen Hefe- und Hyphenform kann C. albicans auch spontan und reversibel von der normalen Hefemorphologie (white) in eine sogenannte opaque-Zellform wechseln. Das white-opaque-Switching tritt nur bei Stämmen auf, die homozygot für den mating-type-Lokus (MTLa oder MTL) geworden sind, und ermöglicht das Mating von opaque-Zellen komplementären Paarungstyps. Da white- und opaque-Zellen unterschiedlich gut an bestimmte Wirtsnischen angepasst sind, scheint das white-opaque-Switching auch eine Bedeutung in der Pathogenität des Pilzes zu haben, und es ist von großem Interesse herauszufinden, wie dieser komplexe Prozess gesteuert wird. Die genetische Analyse von C. albicans ist durch das Fehlen einer haploiden Phase und durch eine Abweichung vom universalen Codon-Gebrauch in diesem Pilz erschwert. In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden zur gezielten Geninaktivierung und andere Werkzeuge für die funktionelle Genanalyse in C. albicans entwickelt. Die Möglichkeiten zur kontrollierten Genexpression sind jedoch noch begrenzt. In dieser Arbeit wurde deshalb ein System etabliert, das eine Tetrazyklin-induzierbare Expression von Genen in den verschiedenen morphologischen Formen von C. albicans und unabhängig von den Wachstumsbedingungen erlaubt. Zu diesem Zweck wurde eine Kassette konstruiert, die einen an C. albicans adaptierten, reversen Tetrazyklin-abhängigen Transaktivator (rtTA) enthält und in die Zielgene unter Kontrolle eines rtTA-abhängigen Promotors inseriert werden können. Nach Integration der Kassette ins C. albicans-Genom wird der Transaktivator konstitutiv exprimiert und ermöglicht die Induktion des Zielgens durch Zugabe von Doxyzyklin. Mit Hilfe des GFP-Reportergens wurde bestätigt, dass dieses Tet-On-System eine effiziente, Doxyzyklin-induzierbare Genexpression in Hefe-, Hyphen- und opaque-Zellen von C. albicans erlaubt. Die Tetrazyklin-induzierte Expression eines dominant-negativen CDC42-Allels blockierte in Hefezellen die Ausbildung von Knospen und resultierte in vergrößerten, mehrkernigen Zellen, während die Expression des NRG1-Repressors das filamentöse Wachstum unter allen getesteten Hypheninduktionsbedingungen effizient inhibierte. Eine Expression des MTLa1-Gens unter Kontrolle des Tet-abhängigen Promotors in opaque-Zellen eines MTL-Stammes führte zum Switching der Zellen in die white-Phase, was darauf hinwies, dass der nach dem Mating von a- und -opaque-Zellen gebildete a1/2-Repressorkomplex das Switching in die white-Phase bewirkt. Dagegen induzierte die Expression des MTLa2-Transkriptionsfaktors in -opaque-Zellen das Shmooing, das normalerweise durch das Pheromon des Matingpartners ausgelöst wird. Die Expression der site-spezifischen FLP-Rekombinase unter Kontrolle des Tet-abhängigen Promotors ermöglichte eine Tetrazyklin-induzierbare Deletion von essentiellen Genen und damit die Herstellung von konditional letalen Mutanten. In Kombination mit dem dominanten caSAT1-Selektionsmarker konnte das Tet-On-System auch in C. albicans-Wildtypstämmen eingesetzt werden und stellt daher eine vielseitig verwendbare Methode zur funktionellen Genanalyse und zur Manipulation des zellulären Verhaltens von C. albicans dar. In weiteren Experimenten wurde die Rolle des globalen Transkriptionsrepressors Tup1, der in heterozygoten MTLa/-C. albicans-Stämmen das filamentöse Wachstum inhibiert, und der phasenspezifischen Gene WH11 und OP4 beim white-opaque-Switching untersucht. Die Deletion des TUP1-Gens im MTL-Stamm WO-1 bewirkte, dass die Mutanten keine white- oder opaque-Zellen mehr bilden konnten. Stattdessen produzierten sie vier unterschiedliche Zell- und Koloniephänotypen, die ein verändertes Expressionsmuster von white- und opaque-spezifischen Genen zeigten und zwischen denen sie spontan und reversibel wechseln konnten. Interessanterweise waren drei der vier Varianten zum Mating mit MTLa-opaque-Zellen fähig und bildeten rekombinante Nachkommen. Diese Ergebnisse zeigten, dass Tup1 zwar auch in MTL-Zellen für die Aufrechterhaltung der normalen Zellmorphologie und Genexpression wichtig ist, jedoch nicht für das Switching an sich. Die Deletion des white-spezifischen Gens WH11 im Stamm WO-1 hatte keinen erkennbaren Effekt auf die Zell- und Koloniemorphologie von white- und opaque-Zellen, die phasenspezifische Genexpression oder die Frequenz des Switchings. Ein ähnliches Ergebnis wurde nach Inaktivierung des opaque-spezifischen OP4-Gens erhalten, und die Deletion von OP4-Gen hatte auch keinen Effekt auf das Mating der opaque-Zellen. Allerdings zeigten opaque-Zellen der op4-Mutanten ein im Vergleich zum Wildtyp verlangsamtes Wachstum bei niedrigen Temperaturen und bildeten spontan einen weiteren Koloniephänotyp aus. Die phasenspezifischen Gene WH11 und OP4 sind daher nicht notwendig für das white-opaque-Switching und haben vermutlich spezifischere Funktionen in der Ausprägung des phasenspezifischen Phänotyps.show moreshow less
  • The yeast Candida albicans is a harmless commensal on mucosal surfaces of the gastrointestinal and urogenitary tracts in most healthy people, but it can also cause local mucocutaneous as well as life-threatening systemic infections, especially in immunocompromised patients. C. albicans exhibits a high morphological variability, which contributes to the capacity of the fungus to colonize and infect many different host niches. In addition to the transition between growth in yeast and hyphal forms, which is regulated by environmental signals, C.The yeast Candida albicans is a harmless commensal on mucosal surfaces of the gastrointestinal and urogenitary tracts in most healthy people, but it can also cause local mucocutaneous as well as life-threatening systemic infections, especially in immunocompromised patients. C. albicans exhibits a high morphological variability, which contributes to the capacity of the fungus to colonize and infect many different host niches. In addition to the transition between growth in yeast and hyphal forms, which is regulated by environmental signals, C. albicans can also switch from the normal yeast cell morphology (white) to an elongated, so-called opaque cell type. This white-opaque switching occurs only in strains that have become homozygous for the mating type locus and allows mating between opaque cells of opposite mating types (MTLa or MTL). As white and opaque cells differ in their adaptation to certain host niches, white-opaque switching also seems to have a role in the pathogenicity of C. albicans. Therefore, it is of great interest to elucidate how this complex morphogenetic process is controlled. The genetic analysis of C. albicans is hampered by the absence of a haploid phase and the non-canonical codon usage of this fungus. In the past years, methods for targeted gene inactivation and other molecular tools for functional gene analysis in C. albicans have been developed. However, tools for controlled gene expression are still limited. In this work, a system for tetracycline-inducible expression of genes in the various morphological forms of C. albicans was established. For this purpose, a cassette was constructed which contains a C. albicans-adapted, reverse tetracycline-dependent transactivator (rtTA) and into which target genes can be inserted under the control of an rtTA-dependent promoter. After integration of the cassette into the C. albicans genome, the transactivator is constitutively expressed and allows the induction of the target gene by the addition of doxycycline. Using GFP as a reporter gene it was confirmed that this Tet-On system enables an efficient, doxycycline-inducible gene expression in yeast, hyphal, and opaque cells of C. albicans. Tetracycline-induced expression of a dominant-negative CDC42 allele prevented the formation of buds in yeast cells and resulted in the production of large, multinucleate cells, whereas expression of the NRG1 repressor efficiently inhibited filamentous growth under all tested hyphal inducing conditions. Expression of the MTLa1 gene under control of the Tet-dependent promoter in opaque cells of an MTL strain forced the cells to switch into the white phase, which indicated that the a1/2 repressor complex formed after mating of a and  opaque cells induces switching to the white phase. In contrast, expression of the MTLa2 transcription factor in  opaque cells resulted in the formation of shmoos, which normally is induced by the pheromone of a mating partner. Expression of the site-specific FLP recombinase under control of the Tet-dependent promoter allowed tetracycline-inducible deletion of essential genes and thus the generation of conditional-lethal mutants. In combination with the dominant caSAT1 selection marker the Tet-On system was also used in various C. albicans wild-type strains and, therefore, is an efficient and versatile tool to study gene function and manipulate cellular behaviour in this model pathogenic fungus. In additional experiments, the role of the global transcriptional repressor Tup1, which in heterozygous MTLa/ strains inhibits filamentous growth, and of the phase-specific WH11 and OP4 genes in white-opaque switching was investigated. Deletion of TUP1 in the MTL strain WO 1 abolished its ability to form white and opaque cells. Instead, the tup1 mutants spontaneously and reversibly switched between four different cell and colony phenotypes which exhibited an altered expression pattern of white- and opaque-specific genes. Interestingly, three of the four variants retained the capacity to mate with MTLa opaque cells and generate recombinant progeny. Therefore, Tup1 is required for normal cell morphology and gene expression also in MTL cells, but not for switching. Deletion of the white-specific WH11 gene in strain WO-1 did not have a detectable effect on the cell and colony morphology of white and opaque cells, phase-specific gene expression, or switching frequency. Similar results were obtained after inactivation of the opaque-specific OP4 gene and deletion of OP4 also did not affect mating of opaque cells. However, opaque cells of the op4 mutants exhibited reduced growth at temperatures below 25°C as compared with the wild type and they spontaneously generated an additional colony phenotype. Therefore, the phase-specific WH11 and OP4 genes are not required for white-opaque switching and presumably have more specific functions in the expression of the phase-specific phenotype.show moreshow less

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Metadaten
Author: Yang-Nim Park
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-19451
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Medizinische Fakultät / Institut für Molekulare Infektionsbiologie
Date of final exam:2006/10/04
Language:German
Year of Completion:2006
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Tag:Candida albicans; Tet-On system; White-Opaque Switching
Candida albicans; Tet-On system; White-Opaque Switching
Release Date:2006/10/06
Advisor:Prof. Dr. J. Morschhäuser