The role of KdmB, a lysine- dependent histone demethylase in secondary metabolism of Aspergillus nidulans

Viele Pilze bilden ein außerordentlich großes Reservoir an Sekundärmetaboliten (SM) mit einer Vielzahl an biologischen Aktivitäten. Während mache SM schon bekannt und aufgrund ihrer vielfältigen Wirkung von großem Nutzen sind, ist ein Großteil der SM noch immer nicht identifiziert. Die Tatsache, dass viele dieser SM meist nur dann gebildet werden, wenn der Organismus einen Selektionsvorteil erhält, gestaltet die Entdeckung neuer SM als sehr schwierig. Zumeist werden SM auch von geclusterten Genen exprimiert, die sich oftmals im subtelomeren Bereich und unter strenger Chromatinregulation befinden. Darüber hinaus haben Histonmodifikationen Einfluss auf das Chromatingerüst und somit auch auf die Genexpression. Unumstritten ist mittlerweile der Einfluss der posttranslationalen Histonmodifikationen auf die SM Biosynthese. Kürzlich konnte in Aspergillus nidulans eine Lysin-spezifische Histon Demethylase, KdmB (AN8211), identifiziert werden. KdmB demethyliert H3 Lys4 trimethyl- Markierungen. Da H3 Lys4 trimethyl- Markierungen zu einer höheren Genaktivität führen, wurde KdmB als Repressor assoziiert. Allerdings konnte gezeigt werden, dass KdmB auch an der Aktivierung von SM Genen beteiligt ist und eventuell als Transkriptionsaktivator fungieren kann. Um einen detaillierteren Einblick in den katalytischen Mechanismus zu bekommen, substituierten wir zwei Aminosäuren im katalytischen Zentrum der Demethylase (JmjC-Domäne) und trennten so die Demethylierungsfunktion von den restlichen Fuktionen des Proteins (kdmB H642G, E644Q). Als Kontrolle wurde der Deletionstamm mit dem ursprünglichen Gen kdmB in loco komplementiert und unter der Kontrolle seines nativen Promotors gestellt. Anschließend analysierten wir die Expression von Sekundärmetaboliten sowie H3K4me3 Markierungen ausgewählter Gene und konnten ferstellen dass die Demethylasefunktion von den anderen Proteinfunktionen nicht getrennt werden kann.Filamentous fungi have the genetic capacity to produce a huge array of secondary metabolites (SMs) contributing to their fitness and survival. Some of them are beneficial for human kind having a pharmaceutical relevance whereas others are detrimental for livestock and mankind upon consumption. The majority of genes required for the metabolite production are generally organized in gene clusters located in subtelomeric regions, thus being prone to chromatin modifications. Furthermore, theses gene clusters are often silent under laboratory conditions, thereby hampering the discovery of novel SMs. Recently it has been shown that posttranslational histone modifications involved in chromatin remodelling modulate the expression pattern of SMs. One such modification is methylation regulating a wide range of cellular processes whereas the counterpart of methylation is carried out by demethylases. This work characterizes a recently discovered JmjC domain containing demethylase, KdmB, encoded by the gene AN8211, which targets the Histone 3 Lysin 4 trimethyl mark (H3K4me3) in Aspergillus nidulans. Originally KdmB was thought as a repressor upon demethylation of the activating H3K4me3 mark. However, upon deletion of KdmB a high number of SM genes are downregulated, thus suggesting that KdmB has a role in gene activation as well .By mutation of the highly conserved catalytic JmjC domain the demethylase activity was dissected from the rest of the protein, giving a further insight into the catalytic mechanism of KdmB. As a control, the kmdB deletion strain was complemented by in loco integration of kdmB driven by its native promoter (KdmBCil). Next, the expression of sterigmatocystin and penicillin was analysed. Surprisingly, while expression and production levels were rescued to wild type level in KdmBCil, this was not the case for the mutated strain. Thus, we could show that the demethylation by KdmB is required for the activation/repression of SM genes in A. nidulans.Simone BachleitnerZusammenfassung in deutscher SpracheUniversität für Bodenkultur Wien, Masterarbeit, 2016(VLID)193576