Extracellular matrix proteins in growth and fruiting body development of straw and wood degrading basidiomycetes | Extrazelluläre Matrix Proteine bei Wachstum und Fruchtkörperbildung in stroh- und holzabbauenden Basidiomyzeten

Fruchtkörper des Homobasidiomyzeten Coprinopsis cinerea sind komplexe multizelluläre Strukturen, deren Hyphen sich in definierter Weise zu gewebeartigen Verbänden eng aneinander anlagern. Die extrazelluläre Matrix (ECM), die die Hyphen umgibt, trägt zum Anhaften von Hyphen an Oberflächen, zu zellulären Interaktionen und zur Kommunikation zwischen Zellen bei. Hydrophobine und Galektine präsentieren wichtige Gruppen von ECM-Proteinen mit potentiellen Rollen in der Fruchtkörperentwicklung.Die Fruchtkörper-spezifischen Galektine Cgl1 und Cgl2, ß-Galactoside-bindende Lektine, dienten als molekulare Marker für die ersten Stadien in der Fruchtkörperbildung, i.e. primäre und sekundäre Hyphenknoten (kleine lockere, bzw. kompakte dreidimensionale globuläre Hyphenaggregate). Die Vorgänge bei der Entwicklung von primären Hyphenknoten wurde über die Zeit beobachtet und Effekte von Licht auf den Übergang zur Entwicklung von sekundären Hyphenknoten bestimmt. Das Laccasegen lcc1 von C. cinerea unter Kontrolle der Promoteren der Galektingene cgl1 und cgl2 wurde als Reportergen benutzt, um die Orte der primären und sekundären Hyphenbildung im vegetativen Myzel zu definieren.Hydrophobine sind kleine pilz-spezifische Proteine, die amphiphatische Filme ausbilden, wenn sie auf Grenzschichten wie z. B. zwischen Luft und Wasser auftreffen. Auf ihrer Oberfläche aufgelagerte Hydrophobine helfen Pilzhyphen beim Wachsen aus einer wässrigen Phase in die Luft. Hydrophobinfilme, die sich auf der Oberfläche der Fruchtkörper befinden und deren Luftkanäle auskleiden, schützen die Strukturen vor dem Eindringen von Wasser und ermöglichen einen Gasaustausch. Vier verschiedene Hydrophobine (CoH14, CoH23, CoH24 und CoH25) wurden in Fruchtkörperprimordien von C. cinerea über Proteinanalysen identifiziert. Im Genom des Pilzes wurden insgesamt 34 Hydrophobingene (coH1 bis coH34) gefunden. Mittels RT-PCR mit Gen-spezifischen Primern wurden für 29 dieser Gene Transkripte in verschiedenen Entwicklungsstadien des Pilzes (monokaryotisches Myzel, dikaryotisches Myzel, Myzel eines selbstfertilen Homokaryons) und während der Fruchtkörperentwicklung in Hüten und Stielen, bei sich entwickelnden Primordien und Fruchtkörpern, identifiziert. Die Gene coH10 und coH32 beispielsweise sind spezifisch in Myzelien aktiv und die Gene coH14, coH24 und coH25 in Fruchtkörperstrukturen. Die meisten der Gene werden aber sowohl in Myzelien als auch in Fruchtkörperstrukturen transkribiert.Die überraschend hohe Anzahl von Hydrophobingenen in C. cinerea war Anlass, die vorhandenen Sequenzen anderer Genome von Basidiomyzeten zu untersuchen. Der Weißfäulepilz Phanerochaete chrysosporium besitzt 20 Hydrophobingene, der Ektomykorrhizapilz Laccaria bicolor 13 verschiedene Hydrophobingene und der Maispathogen Ustilago maydis zwei Hydrophobingene. Interessanterweise wurden keine Hydrophobingene im Genom des humanpathogenen Pilzes Cryptococcus neoformans gefunden. Verwandtschaftsgrade der Produkte dieser Gene wurden untersucht und im Zusammenhang mit den Orten und den Zeitpunkten ihrer Expression und ihrer Funktion diskutiert. Die dargestellten Arbeiten stellen eine Grundlage für zukünftige Forschung dar, um die physiologischen und ökologischen Funktionen und die Funktionen von Hydrophobinen bei Entwicklungsprozessen von Pilzen mit modernen molekularen Techniken einschließlich Proteomanalysemethoden zu untersuchen.

Fruiting bodies of the homobasidiomycete Coprinopsis cinerea are complex multicellular structures, whose hyphae are closely attached to each other in a highly ordered manner. The extracellular matrix (ECM) surrounding the hyphae helps the fungus in surface attachment, cellular interaction and intercellular communication. Hydrophobins and galectins are major groups of ECM proteins with potential roles in mushroom development.Fruiting body-specific galectins Cgl1 and Cgl2, ß-galactoside-binding lectins, served as molecular markers during the initial stages of fruiting body development, primary (small loose hyphal aggregates) and secondary (compact globular 3-dimensional aggregates) hyphal knots. The process of primary hyphal knot development was followed over the time and effects of light in the transition to secondary hyphal knots determined. The C. cinerea laccase gene lcc1 under control of the promoters of genes cgl1 and cgl2 was used as reporter gene to define places of primary and secondary hyphal knot formation in vegetative mycelium. Hydrophobins are small fungal-specific proteins forming amphiphatic films upon encountering e.g. an air-water interface. Hydrophobin films on their surface help the hyphae to emerge from moist substrates into air, cover outer fruiting surfaces and line air channels to protect the structures from water logging and to enable gas exchange. Four different hydrophobins (CoH14, CoH23, CoH24 and CoH25) were identified in fruiting body primordia of C. cinerea by protein determination. Within the genome of the fungus, a total of 34 hydrophobin genes (coH1 to coH34) were found. Transcript analysis by RT-PCR with gene-specific primers identified transcripts for 29 different hydrophobin genes expressed within different mycelial stages (monokaryon, dikaryon, self-compatible homokaron) and/or stages of fruiting body development and within developing primordia and fruiting bodies, in cap and stipe tissues. For example, genes coH10 and coH32 were found to be mycelial-specific whereas transcripts for coH14, coH24 and coH25 were fruiting body-specific. However, most of the genes are expressed in mycelia as well as in tissues of developing primordia and fruiting bodies.The surprising high number of hydrophobin genes in C. cinerea prompted the analysis of publicly available genomes of other basidiomycetes. In the white-rot fungus Phanerochaete chrysosporium, 20 different hydrophobin genes were found, in the ectomycorrhizal fungus Laccaria bicolor 13 different genes, and in the maize pathogen Ustilago maydis two different genes were present. Interestingly, no hydrophobin gene was present in the genome of human pathogen Cryptococcus neoformans. Products of these genes were analyzed to determine phylogenetic relationships and discussed in relation to place and conditions of expression and possible biological functions. These studies pave a path for further studies on hydrophobins to understand physiological, ecological and developmental functions within fungi by modern molecular and proteomic techniques.