Nuclear transport and cellulase production in Trichoderma reesei

Abstract

Unter den Mikroorganismen, die (Hemi-)Zellulose abbauen können, ist der Pilz Trichoderma reesei derzeit der wichtigste industrielle Produzent von cellulolytischen und hemicellulolytischen Enzymen, die für Produktion von Biokraftstoffen und Bioraffinerieprodukten aus Lignocellulose eingesetzt werden. Das Xylanaseregulatorprotein 1 (XYR1), ein Transkriptionsfaktor des Zinc binuclearen Clustertyps ist der Hauptaktivator der Zellulase und Hemizellulase Genexpression. Um die Gene zu aktivieren muss XYR1 aus dem Zytoplasma in den Zellkern transportiert werden. Der Mechanismus dieses nuklearen Imports ist noch unbekannt. Transport von Proteinen über 30 kDa in den Kern geschieht mit Hilfe von spezifischen nuklearen Transportern, sogenannten Karyopherinen. In meiner Dissertation konnte ich zeigen, dass das Genom von T. reesei zehn Karyopheringene (ein a-Importin und neun ß-Importine) aufweist. Um jene ß-Importine, die am Kernimport von XYR1 beteiligt sind zu identifizieren, habe ich Deletionsmutanten von 9 der 10 Karyopherine hergestellt und deren Rolle beim Transport von XYR1 in den Zellkern untersucht. Ich konnte zeigen, dass das ß-Importin KAP8, ein Ortholog von Saccharomyces cerevisiae Pse1 / Kap121 und Aspergillus nidulans KapI, essentiell für den nuklearen Import von XYR1 und die Induktion von Zellulasen und Hemizellulasen durch Laktose und Sophorose ist. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass KAP8 eine wichtige Rolle bei der Ausbildung asexueller Sporen sowie der Toleranz gegenüber verschiedenen Arten von Stress spielt. Die Ergebnisse weisen damit auf eine neue, wichtige Ebene der Zellulasebildung hin, welche für die Verbesserung industrieller Stämme genutzt werden kann.

Among the microorganisms capable of (hemi-) cellulose degradation, the filamentous fungus Trichoderma reesei is the currently most important industrial producer of cellulolytic and hemicellulolytic enzymes which are used for 2nd generation biofuels and biorefinery production from lignocellulosic biomass. Aiming to achieve higher enzyme yields, proteins involved in transcriptional regulation of (hemi-) cellulase gene expression have been intensively studied in the last decade. The xylanase regulator 1 (XYR1), a zinc binuclear cluster transcription factor, is the main activator of cellulase and hemicellulase gene expression. The mechanism of nuclear import, however, has not yet been studied in T. reesei. It was thus unknown how XYR1 crosses the nuclear envelop. Macromolecule transport demands participation of specific nuclear carriers of the karyopherin-ß superfamily. The genome of T. reesei encodes 10 karyopherins (one a-importin and nine ß-importins) acting as nuclear importers. XYR1 contains a classical, three-partite nuclear localisation signal, and thus theoretically requires interaction with the a-importin and at least one of the nine ß-importins. To identify the ß-importin(s) responsible for nuclear import of XYR1. I have generated gene deletion strains of 9 of the 10 karyopherins of T. reesei, and tested their importance for XYR1 transport. I could demonstrate that the T. reesei ß-importin KAP8, an orthologue of Saccharomyces cerevisiae Pse1/Kap121 and Aspergillus nidulans KapI, is essential for nuclear import of XYR1, and furthermore show that KAP8 plays a major role in asexual sporulation and stress resistance in T. reesei.