Sabine Panzer

• Microbial rhodopsins are abundant membrane proteins often capable of ion transport and are found in all three domains of life. Thus, many fungi, especially phyto-associated or phyto-pathogenic ones, contain these green-light-sensing photoreceptors. Proteins that perceive other wavelengths are often well characterized in terms of their impact on fungal biology whereas little is known about the function of fungal rhodopsins. In this work, five fungal rhodopsins, UmOps1 and UmOps2 from the corn smut Ustilago maydis as well as ApOps1, ApOps2 andMicrobial rhodopsins are abundant membrane proteins often capable of ion transport and are found in all three domains of life. Thus, many fungi, especially phyto-associated or phyto-pathogenic ones, contain these green-light-sensing photoreceptors. Proteins that perceive other wavelengths are often well characterized in terms of their impact on fungal biology whereas little is known about the function of fungal rhodopsins. In this work, five fungal rhodopsins, UmOps1 and UmOps2 from the corn smut Ustilago maydis as well as ApOps1, ApOps2 and ApOps3 from the black yeast Aureobasidium pullulans, were characterized electrophysiologically using mammalian expression systems and the patch-clamp technique to explore their ion transport properties. The latter three were modified using a membrane trafficking cassette, termed “2.0” that consists of the lucy rho motif, two Kir2.1 Golgi apparatus trafficking signals and a Kir2.1 endoplasmic reticulum export signal, what resulted in better plasma membrane localization. Rhodopsin mutants were created to identify amino acid residues that are key players in the ion transport process. Current enhancement in the presence of weak organic acids, that was already described before for the fungal rhodopsin CarO from Fusarium fujikuroi (García-Martínez et al., 2015; Adam et al., 2018), was investigated for the U. maydis rhodopsins as well as for ApOps2 by supplementing acetate in the patch-clamp electrolyte solutions. All five rhodopsins were found to be proton pumps unidirectionally transporting protons out of the cytosol upon green-light exposure with every rhodopsin exhibiting special features or unique characteristics in terms of the photocurrents. To name just a few, UmOps1, for example, showed a striking pH-dependency with massive enhancement of pump currents in the presence of extracellular acidic pH. Moreover, especially ApOps2 and ApOps3 showed very high current densities, however, the ones of ApOps3 were impaired when exchanging intracellular sodium to cesium. Concerning the mutations, it was found, that the electron releasing group in UmOps1 seems to be involved in the striking pH effect and that the mutation of the proton donor site resulted in almost unfunctional proteins. Moreover, a conserved arginine inside ApOps2 was mutated to turn the proton pump into a channel. Regarding the effect of weak organic acids, acetate was able to induce enhanced pump currents in UmOps1 and ApOps2, but not in UmOps2. Due to the capability of current production upon light illumination, microbial rhodopsins are used in the research field of optogenetics that aims to control neuronal activity by light. ApOps2 was used to test its functionality in differentiated NG108-15 cells addressing the question whether it is a promising candidate that can be used as an optogenetic tool. Indeed, this rhodopsin could be functionally expressed in this experimental system. Furthermore, microscopic studies were done to elucidate the localization of selected rhodopsins in fungal cells. Therefore, conventional (confocal laser scanning or structured illumination microscopy) as well as novel super-resolution techniques (expansion or correlated light and electron microscopy) were used. This was done on U. maydis sporidia, the yeast-like form of this fungus, via eGFP-tagged UmOps1 or UmOps2 expressing strains. Moreover, CarO-eYFP expressing F. fujikuroi was imaged microscopically to confirm the plasma membrane and tonoplast localization (García-Martínez et al., 2015) with the help of counterstaining experiments. UmOps1 was found to reside in the plasma membrane, UmOps2 localized to the tonoplast and CarO was indeed found in both of these localizations. This work gains further insight into rhodopsin functions and paves the way for further research in terms of the biological role of rhodopsins in fungal life cycles.…
• Mikrobielle Rhodopsine sind häufig vorkommende Membranproteine, welche oft fähig sind, Ionen zu transportieren. Sie kommen in allen drei Domänen vor. So weisen auch Pilze – vor allem pflanzenassoziierte oder pflanzenpathogene – diese Grünlichtrezeptoren auf. Proteine, die andere Wellenlängen empfangen können, sind bereits häufig gut in Bezug auf ihren Einfluss auf die Pilzbiologie untersucht, wohingegen nur wenig über die Funktion der pilzlichen Rhodopsine bekannt ist. Hier wurden fünf Rhodopsine, UmOps1 und UmOps2 des MaisbeulenbrandesMikrobielle Rhodopsine sind häufig vorkommende Membranproteine, welche oft fähig sind, Ionen zu transportieren. Sie kommen in allen drei Domänen vor. So weisen auch Pilze – vor allem pflanzenassoziierte oder pflanzenpathogene – diese Grünlichtrezeptoren auf. Proteine, die andere Wellenlängen empfangen können, sind bereits häufig gut in Bezug auf ihren Einfluss auf die Pilzbiologie untersucht, wohingegen nur wenig über die Funktion der pilzlichen Rhodopsine bekannt ist. Hier wurden fünf Rhodopsine, UmOps1 und UmOps2 des Maisbeulenbrandes Ustilago maydis, sowie ApOps1, ApOps2 und ApOps3 des schwarzen Hefepilzes Aureobasidium pullulans bezüglich ihrer Ionentransport-Eigenschaften mit Hilfe von Säugerzelllinien und der Patch-Clamp Technik untersucht. Die drei letzteren wurden mit der „2.0“-Modifikation ausgestattet, bestehend aus dem lucy rho Motif, zwei Kir2.1 Golgiapparat Transfer- und einem Kir2.1 Endoplasmatischen Retikulum-Export-Signal, was zu einer besseren Plasmamembran-Lokalisierung der Proteine führte. Es wurden weiterhin Rhodopsin-Mutanten hergestellt um Aminosäuren zu identifizieren, welche im Ionentransport Schlüsselfunktionen einnehmen. Des Weiteren wurde der Effekt von schwachen organischen Säuren auf den Ionentransport der U. maydis Rhodopsine und auf ApOps2 mittels Supplementation der Patch-Clamp-Elektrolyten mit Acetat untersucht. Dieser Effekt wurde bereits früher für CarO aus Fusarium fujikuroi nachgewiesen (García-Martínez et al., 2015; Adam et al., 2018) und bezeichnet eine Erhöhung der lichtinduzierten Ströme durch die extrazelluläre Anwesenheit schwacher organischer Säuren. Alle fünf untersuchten Rhodopsine wurden als Grünlicht getriebene Pump-Rhodopsine identifiziert, welche Protonen unidirektional aus dem Zytosol transportieren. Hierbei zeigten die lichtinduzierten Ströme jedes Rhodopsins spezielle Eigenschaften und Merkmale. Unter anderem zeigte UmOps1 eine unerwartete pH-Abhängigkeit indem die Pumpströme bei extrazellulärem sauren pH massiv erhöht wurden. Des Weiteren zeigten sowohl ApOps2 als auch ApOps3 sehr hohe Stromdichten, wobei jedoch die von ApOps3 rapide abnahm, sobald intrazelluläres Natrium durch Caesium ersetzt wurde. Bezüglich der Rhodopsin- Mutanten konnte gezeigt werden, dass die Proton-Releasing-Group von UmOps1 wahrscheinlich in die erstaunliche pH-Abhängigkeit involviert ist und dass die Mutation des Proton-Donors zu meist nicht funktionalen Proteinen führt. Ein konserviertes Arginin in ApOps2 wurde mutiert um das Pump-Rhodopsin in einen Kanal umzuwandeln. Der Schwache-Organische-Säure-Effekt konnte für UmOps1 und ApOps2, nicht aber für UmOps2 nachgewiesen werden. Wegen ihrer Ionentransport-Eigenschaften werden mikrobielle Rhodopsine in der Optogenetik eingesetzt um neuronale Zellen mittels Lichts zu steuern. Hier wurde ApOps2 benutzt um dessen Funktionalität in ausdifferenzierten NG108-15 Zellen zu testen und ob dieses Rhodopsin ein vielversprechender Kandidat für optogenetische Anwendungen wäre. In der Tat gelang es, ApOps2 funktional in diesem Testsystem zu exprimieren. Des Weiteren wurde die Lokalisation von UmOps1 und UmOps2 in Sporidien (hefeähnliche Form von U. maydis) mittels eGFP-Label untersucht, sowie die Plasmamembran- und Tonoplast-Lokalisierung von CarO-eYFP in F. fujikuroi (García- Martínez et al., 2015) mittels Gegenfärbungen bestätigt. Hierfür wurden konventionelle (konfokale Laserraster-, sowie strukturierte Beleuchtungsmikroskopie) und auch neuartige hochaufgelöste Mikroskopie-Methoden (Expansions- und korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie) verwendet. Es konnten hier weitere Einblicke in die Funktionen pilzlicher Rhodopsine gewonnen werden, welche den Weg für weitere Forschung in Bezug auf den Einfluss dieser Proteine auf das Leben der Pilze ebnen.…