Bibliographic Metadata

Title
The role of iron in adaptation in fungal primary and secondary metabolism as well as in microbial interaction
AuthorLechner, Beatrix
Thesis advisorHaas, Hubertus
Published2016
Institutional NoteInnsbruck, Med. Univ., Diss., 2016
Annotation
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Date of SubmissionOctober 2016
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Eisenhaushalt / Aspergillus fumigatus / Sekundärmetabolismus / Siderophore / Häm / Pilze / Ergothionein / Fumigatin-Oxid / Pseudomonas aeruginosa / Phenazine / Hexadehydroastechrome
Keywords (EN)Iron homeostasis / Aspergillus fumigatus / secondary metabolism / siderophores / heme / fungi / ergothioneine / fumigatin-oxide / Pseudomonas aeruginosa / phenazines / hexadehydroastechrome
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-6346 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
Files
The role of iron in adaptation in fungal primary and secondary metabolism as well as in microbial interaction [70.74 mb]
Links
Reference
Classification
Abstract (German)

Eisen ist ein essentielles Spurenelement, welches in beinahe allen Organismen zur

Aufrechterhaltung des primären und sekundären Stoffwechsels in vielen Prozessen eine

wichtige Rolle als Kofaktor und Regulator spielt, wobei es auch einen Einfluss auf die

Interaktionen zwischen verschiedener Organismen hat. Deshalb haben Mikroorganismen,

Pilze hier im Speziellen, Systeme entwickelt um Eisen aufzunehmen, zu speichern, zu

metabolisieren und zu detoxifizieren. Diese Arbeit fasst Untersuchungen zur

Charakterisierung verschiedener Aspekte von Eisen in der Physiologie von Bakterien und

Pilzen zusammen.

Die Eisenverfügbarkeit ist während des saprobischen Wachstums oder einer Infektion von

Pflanzen oder Tieren sehr limitiert. Um ihren Eisenbedarf zu decken entwickelten

Mikroorganismen niedermolekulare Eisen-chelatierende Moleküle, sogenannte Siderophore,

welche eine hohe Spezies-spezifische Diversität in der Struktur aufweisen. Studien während

dieser Dissertation führten in dem intensiv biotechnologisch genützten Schimmelpilz

Aspergillus niger und dem fakultativen Humanpathogen Paracoccidioides brasiliensis zur

Identifizierung und Charakterisierung von Siderophor-Genen als auch der produzierten

Siderophoren. Diese Eisenchelatoren weisen erhebliche Strukturunterschiede zu den

Siderophoren von Aspergillus fumigatus oder Aspergillus nidulans auf, welche die

Modellorganismen für den pilzlichen Siderophorstoffwechsel darstellen. In diesen beiden

letztgenannten Spezies sind über 20 Proteine, darunter Enzyme und Transporter, im

Siderophormetabolismus involviert. Hier konnte jetzt gezeigt werden, dass drei dieser

Siderophorsynthesegene in Peroxisomen lokalisiert sind und dass peroxisomale Defekte die

Siderophorproduktion beeinträchtigen. Diese Daten unterstreichen die metabolische

Vernetzung des Siderophorstoffwechsels.

Der Eisenmetabolismus ist eng mit der Redox-Homöostase verknüpft. Eisenüberschuss

führt zu oxidativen Stress, wobei für dessen Detoxifizierung paradoxerweise Eisen als

Kofaktor von zum Beispiel Katalasen und Peroxidasen notwendig ist. Während unserer

Studien wurde die Rolle von Ergothionein in A. fumigatus charakterisiert. Dieses Antioxidans

wird von vielen Mikroorganismen produziert und von anderen Organismen über die Nahrung

aufgenommen. Diese Studien zeigen, dass Ergothionein die Resistenz gegen oxidativen Stress

und Schwermetalle, wie Eisen, unterstützt und eine Rolle im Sekundärstoffwechsel und im

Siderophorstoffwechsel spielt.

Häm ist ein zentraler Eisen-abhängiger Kofaktor, dessen Biosynthese in A. fumigatus

während Eisenmangels durch den Eisenregulator HapX repremiert und durch das „sterol

regulatory element binding protein“ SrbA aktiviert wird. SrbA ist auch involviert in der

Anpassung an Eisenmangel, Regulation der Ergosterolbiosynthese und entscheidend für die

Azolresistenz. Unsere Studien identifizierten SrbB, einen neuen Regulator der Häm- und

Ergosterolbiosynthese sowie auch dessen Einfluss auf die Anpassung an Hypoxie und

Virulenz.

Eisen spielt eine wichtige Rolle in der Kompetition von Organismen. Pseudomonas

aeruginosa ist der Haupterreger bei einer bakteriellen Infektion von Patienten mit cystischer

Fibrose, die häufig auch noch mit A. fumigatus infiziert sind. Eine Studie in dieser

Dissertation zeigt, dass P. aeruginosa den Redox-Status und den Eisenhaushalt ihres

mikrobiellen Partners A. fumigatus mittels sezernierter Virulenzfaktoren, sogenannter

Phenazine verändert. In einer weiteren Studie konnte gezeigt werden, dass die Überexpression

des nicht-ribosomalen Peptides Hexadehydroastechrom durch Eisenchelatierung zu

Eisenmangel in A. fumigatus führt. Weiterführende Untersuchungen zeigten, dass dieser

Eisenmangel weitgehende Auswirkungen auf den Sekundärmetabolismus hat und

identifizierte Eisen-reprimierte als auch Eisen-induzierte Gencluster die für

Sekundärmetabolite kodieren. In der letzten Studie wurde ein Temperatur- und Eisenreguliertes

gelbes Pigment von A. fumigatus, Fumigatin-oxid genannt, als auch der kodierende

Gencluster identifiziert und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass Fumigatin-oxid Eisen

reduzieren kann, zu nekrotischen Läsionen auf Pflanzen führt und entzündungshemmend in

dendritischen Zellen und humanen Makrophagen wirkt. Diese Untersuchungen unterstreichen

den Einfluss von Eisen auf den pilzlichen Sekundärstoffwechsel, der sowohl das mikrobielle

Verteidigungs- als auch Angriffssystem darstellt. Die Induktion des Sekundärmetabolismus

unter Eisenmangel erfolgt wahrscheinlich zur Steigerung der Konkurrenzfähigkeit.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Daten aus dieser Dissertation die Rolle

von Eisen im Primär- als auch Sekundärstoffwechsel und der Interaktion von Organismen

hervorheben.

Abstract (English)

As for nearly all organisms, iron is an essential nutrient for fungi but toxic in excess.

Therefore, fungi have evolved sophisticated mechanisms for uptake, utilization, storage and

detoxification of this metal. Due to the crucial role of this metal as co-factor for many

essential as well as non-essential pathways, iron plays a crucial regulatory role within cells

and additionally impacts the interaction of organisms. This PhD thesis summarizes studies

characterizing different aspects of the role of iron in fungal physiology.

In most niches, i.e. during saprobic growth and particularly during infection of animal as

well as plant hosts, the availability of iron is limited. Therefore, fungi evolved high-affinity

iron uptake mechanisms. Most fungal species secrete low-molecular mass, ferric-iron specific

chelators, termed siderophores displaying a striking species-specific structural diversity. This

thesis identified and characterized the siderophore-metabolic genes as well as the

siderophores produced by the biotechnologically highly utilized Aspergillus niger and the

human facultative pathogen Paracoccidioides brasiliensis, revealing structural differences to

Aspergillus fumigatus and Aspergillus nidulans, the role models for Ascomycetes siderophore

metabolism. In the latter two Aspergillus species, siderophore metabolism was previously

shown to comprise about 20 proteins specifically required for this pathway, including

biosynthetic enzymes and transporters. This thesis revealed that three siderophorebiosynthetic

enzymes are localized in peroxisomes and that certain peroxisomal defects

impair siderophore biosynthesis emphasizing the complex embedding of siderophore

metabolism in the general metabolism.

Iron metabolism is intimately intertwined with redox homeostasis. On the one hand, iron

excess causes oxidative stress, but on the other hand oxidative stress defense depends on irondependent enzymes such as catalases and peroxidases. This study identified a novel

antioxidant produced by A. fumigatus, ergothioneine, which was previously shown to be

acquired via dietary uptake by humans. The current study demonstrates that ergothioneine

supports oxidative stress resistance and heavy metal, including iron resistance. Furthermore it

plays an important role in secondary as well as siderophore metabolism.

A central iron-dependent cellular co-factor is heme. In A. fumigatus, heme biosynthesis has

previously been shown to be repressed during iron starvation by the iron-regulator HapX and

to be activated by the “sterol regulatory element binding protein” SrbA. SrbA is also involved

in adaptation to iron starvation, regulation of ergosterol biosynthesis and consequently crucial

for azole resistance. This study identified a new regulator of biosynthesis of heme and

ergosterol, which is activated by SrbA, namely the SrbA homologous protein SrbB. Similar to

SrbA, SrbB is important for hypoxia adaptation and virulence.

As iron is an essential metal and scarce in most growth niches, iron metabolism became an

intensive battlefield in competitive and parasitic relationships between organisms. Previously,

it was shown that mammals employ iron-withholding mechanisms to fight infections and that

siderophore biosynthesis and efficient regulatory adaptation to iron limitation represent major

virulence determinants of A. fumigatus in murine models. Pseudomonas aeruginosa is the

major cause of bacterial infections in cystic fibrosis patients with A. fumigatus being a

frequent co-infecting agent. The current study revealed that P. aeruginosa manipulates redox

and iron homeostasis of its microbiota partner A. fumigatus via phenazines and defects in iron

starvation adaptation mechanisms decrease the resistance to these secreted pigments, which

represent major virulence factors of this bacterium. In another study, systematic analysis of

the consequences of hexadehydroastechrome overexpression uncovered that this nonribosomal

peptide induces iron starvation via iron chelation in A. fumigatus and revealed

secondary metabolism pathways that are either repressed or induced by iron starvation. The

final study identified and characterized a temperature- and iron-regulated yellow pigment of

A. fumigatus, termed fumigatin-oxide, the encoding biosynthetic gene clusters and

transcription factors, particularly HapX and LaeA, controlling its production. Fumigatin-oxide

was found to be able to reduce iron, to cause necrotic lesions on plants and to act antiinflammatory

in macrophages and dendritic cells. Secondary metabolism is often linked to

microbial chemical warfare and represents the microbial immune system. Therefore, it is not

surprising that iron starvation has a major impact on secondary metabolism to increase

competitiveness for this essential nutrient.

Taken together, the studies conducted in this thesis emphasize the important role of iron in

the fungal primary and secondary metabolism as well as in interspecies relations.

Notice
License
CC-BY-License (4.0)Creative Commons Attribution 4.0 International License