Kreuzungstypgene und Sexualzyklus bei dem Penicillin- Produzenten Penicillium chrysogenum Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften der Fakultät für Biologie und Biotechnologie an der Internationalen Graduiertenschule Biowissenschaften der Ruhr-Universität Bochum angefertigt am Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik vorgelegt von Julia Böhm aus Recklinghausen Bochum April, 2014 Referent: Prof. Dr. Ulrich Kück Korreferent: Prof. Dr. Dominik Begerow Mating-type genes and the sexual cycle of the penicillin producer Penicillium chrysogenum Dissertation to obtain the degree Doctor Rerum Naturalium (Dr. rer. nat.) Submitted to the International Graduate School of Biosciences, Faculty of Biology and Biotechnology at the Ruhr-University Bochum, Germany Thesis performed at the Department of General and Molecular Botany submitted by Julia Böhm from Recklinghausen, Germany Bochum April, 2014 1st Supervisor: Prof. Dr. Ulrich Kück 2nd Supervisor: Prof. Dr. Dominik Begerow Danksagung Zu Beginn bedanke ich mich herzlich bei meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. Ulrich Kück für das äußerst interessante Thema, die zahlreichen wissenschaftlichen Anregungen und Diskussionen, die sehr guten Arbeitsbedingungen und das rege Interesse am Fortschreiten dieser Arbeit. Herrn Prof. Dr. Dominik Begerow danke ich für die freundliche Übernahme des Korreferates. Allen Mitarbeitern des Lehrstuhls für Allgemeine und Molekulare Botanik danke ich für die gute Zusammenarbeit und das tolle Arbeitsklima. Insbesondere bedanke ich mich bei Stefanie Mertens, die mir immer mit guten Ratschlägen zur Seite stand und stets ein offenes Ohr für Sorgen oder Probleme hatte. Des Weiteren danke ich herzlich Ingeborg Godehardt, Katerina Koutsantas und Susanne Schlewinski für die Unterstützung bei einigen Experimenten. Zudem danke ich Elke Adolph und Stephanie Lorenz für die Autoklavierarbeiten, besonders wenn ich wieder mal eben 100 Kolben brauchte. Ich danke Gabi Frenßen-Schenkel für die Hilfe bei der Erstellung von Abbildungen. Meinen Doktorbrüdern und Doktorschwestern danke ich für die schöne Zeit und die vielen hilfreichen Diskussionen. Insbesondere danke ich Steffen Nordzieke und Anna Beier für die Unterstützung, das Zuhören und vor allem das gemeinsame Lachen. Ich danke Tim Dahlmann für die gute und auch nervenaufreibende Zusammenarbeit, gerade bei unserem gemeinsamen Projekt. Dr. Sandra Bloemendal und Dr. Ines Teichert danke ich für das intensive und kritische Lesen dieser Arbeit und die hilfreichen Anmerkungen und Korrekturvorschläge. Der Firma Sandoz GmbH (Kundl, Österreich) sowie der Christian Doppler Forschungsgesellschaft (Wien, Österreich) danke ich für die Bereitstellung finanzieller Mittel und ihrem steten Interesse am Fortgang des gesamten Forschungsprojektes. Insbesondere danke ich Herrn Dr. H. Kürnsteiner, Herrn Dr. I. Zadra und Herrn T. Specht für die interessanten Diskussionen und ihre Unterstützung. Ein herzlicher Dank gilt auch Herrn Prof. Dr. Thomas Stützel und Frau Sabine Adler des Lehrstuhls für Evolution und Biodiversität der Pflanzen für die Nutzung des Rasterelektronenmikroskops. Zudem danke ich Herrn Paul Dyer und Frau Céline O´Gorman für die gute Zusammenarbeit. Weiterhin danke ich ganz besonders meiner Familie, im Besonderen meinen Eltern und meinem Freund Nils, für die Unterstützung, Liebe, Geduld und das Vertrauen in mich. Zudem möchte ich mich bei meinen Mädels für die jahrelange Freundschaft und Unterstützung bedanken. Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................ I Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................... III I. EINFÜHRUNG ................................................................................................................. 1 1. Einleitung .............................................................................................................................. 1 2. Anamorph versus Teleomorph .............................................................................................. 2 2.1 Die Gattung Penicillium (Anamorph) ............................................................................. 3 2.2 Die Gattung Eupenicillium (Teleomorph) ....................................................................... 4 3. Fortpflanzungssysteme in Ascomyceten ............................................................................... 6 4. Kreuzungstyp-Loci ................................................................................................................ 8 4.1 Kreuzungstyp-Loci der Hefe Saccharomyces cerevisiae .............................................. 10 4.2 Kreuzungstyp-Loci in Ascomyceten ............................................................................. 11 4.3 Kreuzungstyp-Loci in Basidiomyceten ......................................................................... 12 4.4 Funktion der Kreuzungstyp-Loci .................................................................................. 13 5. Potential für sexuelle Reproduktion in als asexuell geltenden Ascomyceten ..................... 14 6. Zusammenfassung ............................................................................................................... 17 II. PROBLEMSTELLUNG .................................................................................................. 19 III. BÖHM J, , HOFF B, O´GORMAN CM, WOLFERS S, KLIX V, BINGER D, ZADRA I, KÜRNSTEINER H, PÖGGELER S, DYER PS, KÜCK U (2013) Sexual reproduction and mating-type-mediated strain development in the penicillin-producing fungus Penicillium chrysogenum 23 IV. BÖHM J, DAHLMANN TA, GÜMÜSER H, KÜCK U (2014) A MAT1-2 wild-type strain from Penicillium chrysogenum: Functional mating- type locus characterization, genome sequencing, and mating with an industrial penicillin-producing strain 24 Inhaltsverzeichnis II V. GESAMTDISKUSSION .................................................................................................. 25 1. Die MAT-Transkriptionsfaktoren kontrollieren asexuelle Entwicklungsprozesse ............. 25 2. Hyphenmorphologie und Pelletbildung sind Kreuzungstyp-abhängig reguliert ................. 32 3. MAT1-1-1 reguliert die Penicillin-Biosynthese .................................................................. 35 4. Der sexuelle Zyklus kann in Penicillium chrysogenum induziert werden .......................... 38 VI. ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................................ 46 VII. SUMMARY ............................................................................................................... 47 VIII. LITERATUR ........................................................................................................... 48 IX. EIGENANTEIL AN PUBLIKATIONEN ......................................................................... 68 X. LEBENSLAUF .............................................................................................................. 69 Abkürzungsverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis Allgemein gebräuchliche Abkürzungen sowie Einheiten, die dem internationalen Einheitensystem (SI-Einheiten) zuzuordnen sind, sowie Präfixe für dezimale Teile und Vielfache sind nicht gesondert aufgeführt. Aminosäuren sind entweder im Ein- bzw. Drei-Buchstaben-Code aufgeführt. Des Weiteren gelten folgende Abkürzungen: Δ Deletion Abb. Abbildung AS Aminosäure(n) α α-Box-Domäne bp Basenpaare DIC Differentielle Interferenz-Kontrast-Mikroskopie DNA Desoxyribonukleinsäure H Stunde HMG High mobility group IST Internal transcribed spacer ORF Open reading frame PCR Polymerase-Kettenreaktion qRT-PCR quantitative real-time-PCR rDNA ribosomale DNA RFLP Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus RIP Repeat-induced point mutation RNA Ribonukleinsäure SNP Single nucleotide polymorphism UV Ultraviolett I EINFÜHRUNG 1 I. EINFÜHRUNG 1. Einleitung Die Vermehrung von Pilzen kann auf zwei Arten erfolgen, nämlich asexuell über die Bildung von mitotischen Sporen oder sexuell durch die Produktion von meiotischen Sporen. Dies hat zur Folge, dass die asexuellen Sporen genetisch identisch zu ihren Eltern sind, wohingegen die sexuellen Sporen durch Rekombination während der Meiose genetisch verschieden zu ihren Eltern sind (Milgroom 1996). Bereits seit 1904 ist die Sexualität von Pilzen Thema der Forschung (Blakeslee 1904). Der sexuelle Zyklus ist charakterisiert durch die koordinierte Fusion von sexuell kompatiblen Zellen. Es werden dabei haploide und diploide Phasen durchlaufen, welche die Prozesse der Karyogamie, also die Fusion von haploiden Kernen und meiotische Teilungen von diploiden Kernen beinhalten (Nelson 1996, Shiu und Glass 2000). Die Produkte der Meiose sind wiederum haploide Zellen, die sexuellen Sporen (Nelson 1996, Coppin et al. 1997, Bistis 1998). Die meisten sexuellen Arten sind daneben auch in der Lage, sich asexuell zu vermehren. Der Wechsel zwischen beiden Reproduktionsmechanismen ist dabei anhängig von verschiedensten Umweltfaktoren. In Aspergillus nidulans wird beispielsweise der sexuelle Zyklus durch Kohlenstoff- und Sauerstoffmangel induziert (Paoletti et al. 2007). Im Reich der Pilze sind etwa 98 % aller bekannten Arten den Dikarya zuzuordnen. Dieses Unterreich unterteilt sich in die Abteilungen Ascomyceten und Basidiomyceten, die sich vermutlich vor etwa 500 Millionen Jahren in ihrer Entwicklung getrennt haben (Berbee und Taylor 1993, James et al.