Aspergillus flavus Embryo lipids «attract» A. flavus • • • • • • • • • • • • Mature B73 kernels naturally infected with Aspergillus flavus. A sagittal (1) and frontal (2) and transversal (3) section of healthy B73 kernels (left) were compared to disease kernels (right) to discern any physical changes that occurred as a result of A. flavus. a—crown; b—pericarp; c—aleurone; d—starchy endosperm; e—hard endosperm; f—scutellar tissue; g—leaf primordia (plumule); h—primary root; i—transfer cells; j—pedicel; k—embryo; and l—germ. Dolezal et al. doi: 10.3389/fmicb.2014.00384 Invasione dei tessuti delle cariossidi di mais • • • Histology of the developing maize kernel 4 days after Aspergillus flavus pin-bar inoculation. The schematic drawing of the kernel (a) depicts the location of pin-bar inoculation (black arrow) and the kernel region (black box, ) from which the histology panels originate. Aspergillus flavus was observed (b) in the endosperm (EN) surrounding a cavity created by the inoculation pin and outside the germ (GM) in a unique A. flavus mat-like (A.f mat) structure. Hyphae were also found growing between the pericarp (PC) and aleurone (AL) (c) in which the AL cells in contact with A. flavus appear to be altered compared with cells in the noninoculated control (d). (e) Endosperm–germ interface (IF) in a noninoculated kernel. In the infected kernel, the A.f mat structure developed at the IF (f) and covered the germ tip. Hyphae within the A.f mat were morphologically distinct from A. flavus vegetative hyphae (g) and were highly branched, tightly intertwined and extended into the GM (h). Colonization of the GM by A. flavus was observed in highly infected kernels (i). Aflatoxins: presentation Discovered in 1962 AFB1 AFB2 AFG1 AFG2 Composed of: • Coumarin group • Bisfuran ring • Pentan group AFB • Furan group AFG PhD defence 2D structures of aflatoxin B1 (AFB1), aflatoxin B2 (AFB2), aflatoxin G1 (AFG1) and aflatoxin G2 (AFG2) 11/25/2014 4 Aflatoxins: abiotic parameters Growth AFB1 production • Water activity: aw – 0.94 - 0.99 – 0.96 - 0.99 • Temperature – 30 - 35°C – 25 - 30°C Other parameters: Gas composition, Medium, pH, Light, Chemical compounds 5 Aflatoxins: Biosynthesis • 1 AcetylCOA & 9 MalonylCOA Norsolorinic Acid (NOR) Versicolorin B 1 2 Sterigmatocystin AflU (NadA, AflF) (Yu et al., 2004) AFG1 AFG2 AFB1 11/25/2014 AFB2 6 Aflatoxins: Regulation • AflR and AflS: specific regulators ( ) AflR: • Zinc Finger transcription factor • Specific binding 5’- WCGSNNNSCGA-3’ (W: A ou T, S: C ou G, R: A ou G) AflS: AflR coactivator? (Alkhayyat & Yu, 2014) 7 Regolazione della biosintesi delle AF • Quando FadA è attivato in seguito alla percezione di uno stimolo esterno inibisce sia direttamente che indirettamente, i.e. attraverso la cAMP-dependent PkaA, l’attivazione di LaeA e quindi di AflR • FlbA, la cui attivazione dipende da FluG, sopprime FadA e consente l’attivazione di AflR tramite LaeA (Georgianna and Payne, 2009). Controllo dell’espressione genica tramite modifiche della cromatina • • • Il substrato naturale per il meccanismo di trascrizione e delle proteine regolatrici coinvolte nella segregazione dei cromosomi, la replicazione e riparazione del DNA nel nucleo degli eucarioti non è il DNA stesso, ma la cromatina. La cromatina si compone di proteine nucleari strutturali come istoni e proteine non-istoniche che sono strettamente associate con il DNA e che condensano la lunga molecola di DNA in un piccolo volume Sebbene l’imballaggio è essenziale e l'eliminazione di alcuni fattori modificanti la cromatina è letale, la cromatina rappresenta anche un notevole ostacolo per i fattori che legano il DNA per accedere alle proprie sequenze affini. • L’accessibilità alla cromatina è regolata principalmente a livello di modificazioni post-traduzionali (PTM) di proteine istoniche che definisce il grado di compattazione da aperto (eucromatina ) a chiuso (eterocromatina) • Le modificazioni delle proteine mediante acetilazione, metilazione, ubiquitinazione e fosforilazione rappresentano le principali modifiche dei diversi amminoacidi presenti nel N -terminale e nei domini globulari degli istoni H2B , H3 , e H4 . • Durante un ciclo di regolazione, queste modifiche possono essere rimosse da deacetilasi , demetilasi e fosfatasi, o una modifica può essere sostituita da un’altra sullo stesso residuo da parte di enzimi. • Questi sono parte di complessi specializzati histone -modifying, come ad esempio le acetiltrasferasi saga/Ada o NuA4, SET metiltransferasi o le istone deacetilasi • Le attività dinamiche di «scrittura e cancellazione» che modificano gli istoni risultano in combinazioni che cambiano spazialmente e temporalmente i diversi histones marks presenti in regioni codificanti geni regolativi e anche in zone di DNA non codificante. • Queste combinazioni sono ritenute generare un "codice" che è riconosciuto da proteine "lettrici". • Il loro ruolo è quello di reclutare attivatori trascrizionali o repressori in queste posizioni codificate e di modificare la struttura della cromatina e la sua compattazione interagendo con fattori responsabili della formazione di eterocromatina . • Poiché tali histones marks, proprio come la metilazione del DNA , possono essere trasmessi in modo stabile durante la meiosi alle cellule figlie, il codice istonico è diventato un componente integrato della regolazione epigenetica. • Tuttavia, anche se la regolazione epigenetica impiega questi histones marks, la regolazione a livello della cromatina non fa necessariamente attivare un evento epigenetico. • In contrasto con l’acetilazione, che viene letto sostanzialmente sempre come un segno di attivazione cromatinica, la metilazione dell'istone rappresenta un linguaggio molto più complesso. • La metilazione del H3K9, H3k27 e H4K20 è più frequentemente associata con l’eterocromatina e il silenziamento trascrizionale mentre la metilazione H3K4, H3K36 e H3K79 è più spesso - insieme con l’iperacetilazione di H3K9 – associata all’eucromatina attivamente trascritta. • L’acetilazione e la metilazione avvengono esclusivamente sulle lisine e non possono mai coesistere contemporaneamente sullo stesso residuo. • Ma questa è solo una parte della verità, a seconda del: – grado di metilazione (mono-, di-, o trimethylation) di una data lisina, – se il mark viene posto su un istone residente in una regione del promotore o nella sequenza codificante, – La localizzazione cromosomica un dato mark di metilazione può essere letto come un segnale di attivazione o di repressione The chromatin code of fungal secondary metabolite gene clusters • Il metabolismo secondario non è immediatamente essenziale per l'organismo, ma, tramite la produzione di metaboliti specifici, può influenzare la competitività in ambienti naturali e quindi sopravvivenza a lungo termine e la fecondità della specie. • I geni coinvolti nella biosintesi di un certo metabolita di solito sono fisicamente collegati nel cromosoma (cluster) e co-regolati trascrizionalmente. • L’ arrangiamento dei geni legati agli SM in cluster può essere state mantenuto anche perché la vicinanza dei geni consentirebbe un controllo coordinato trascrizionale mediante meccanismi chromatin-based LaeA and the crosstalk to histone methylation • Una piccola finestra in questa enorme complessità è stata aperta dalla constatazione che in A. nidulans, LaeA influenza notevolmente lo stato di metilazione di H3K9 e l’occupazione successiva di questo locus da parte di HEPA. • Il legame di HepA sulla cromatina richiede la di- e tri- metilazione di H3K9. • Il fatto che la perdita della funzione LaeA risulti in una elevata H3K9me3 e di livelli di HepA nel cluster ST, e che la delezione di HepA parzialmente by-passi il ruolo di LaeA per la trascrizione di diversi Cluster SM, suggerisce un ruolo di questo regolatore nella formazione dell’eterocromatina e nella repressione trascrizionale . • l'esatto meccanismo del funzionamento di LaeA in questo processo resta ignoto ma potrebbe essere direttamente o indirettamente coinvolto nel blocco della formazione eterocromatina. Regolazione della biosintesi delle AF • Un complesso trimerico, chiamato il velvet complex (VelB-VeA-LaeA), è responsabile della sincronizzazione dello sviluppo con i cambiamenti metabolici in assenza della luce • VelB è una proteina conservata nel regno fungino che ha un’identità aminoacidica del 18% con VeA ma non ha nessun NLS tipico (nuclear localization signal). • VeA forma un complesso con VelB ed incrementa il trasporto di VelB nel nucleo. Poi, VeA collega VelB con il nuclear master regulator del metabolismo secondario, LaeA. (Bayram et al. 2008). Lo stress ossidativo regola la produzione di diverse micotossine • Diversi oxidant stressors aggiunti esogenamente quali perossido d'idrogeno, PUFA ossidati, epossidi, aldeidi, chetoni, ergosterolo perossidato, tetracloruro di carbonio e altri alogenometani inducono la biosintesi di alcune micotossine tra cui: • Aflatossine (Fabbri et al., 1983) • Deossinivalenolo (Ponts et al., 2004) • Patulina (Castoria et al., 2005) • Ocratossina A (Reverberi et al., 2010) Un caso di studio: le aflatossine • L'invecchiamento cellulare (cell ageing) induce uno stato iperossidante nella cellula fungina che porta al differenziamento e all'attivazione del metabolismo secondario (Aguirre et al., 2007) • La diminuzione delle difese antiossidanti nella cellula fungina genera un ambiente ossidativo che favorisce la produzione di aflatossine (Reverberi et al., 2007) • Questo è stato verificato mediante la delezione del gene ApyapA che in A. parasiticus codifica un fattore di trascrizione capace di controllare la risposta antiossidativa (Reverberi et al., 2008) Lavoro yap1 • Il gene ApYapA codifica per un fattore di trascrizione correlato allo stress ossidativo • ApYapA possiede diversi residui di cisteina che qualora ossidati, portano ad un cambio del suo folding che induce la sua migrazione nel nucleo • ApYapA riconosce degli elementi risposta simili agli ARE (YRE-TGACTCA) presenti nel promotore di molti geni codificanti per enzimi antiossidanti quali superossido dismutasi e catalasi Lavoro yap1 • Il mutante ApyapA- presenta una forte alterazione nello sviluppo (produce molti più conidi del WT) e nel metabolismo secondario (la produzione di AF è anticipata e raggiunge prima il plateau) • Uno YRE è stato trovato anche nel promotore di AflR il main regulator della sintesi di AF ACUTE-OXIDATIVE STRESS CHRONIC-OXIDATIVE STRESS O2-· LOO· OH· yap1 CRM1 SH yap1 aflR SH Hsf2 Nucleo TGACTCA TGACTCA Skn7 nGAAn Cu, Zn-Sod, Mn-Sod, Cat, Gst, Gpx aflR box AFTX gene cluster