Unveiling the mechanisms for microtubule-based peroxisome motility and distribution by exploiting the filamentous fungus U. maydis

Peroxisomes are ubiquitous subcellular organelles, which fulfil important metabolic functions, notably the β-oxidation of fatty acids and the metabolism of hydrogen peroxide, and are thus essential for human health and development. The filamentous fungus Ustilago maydis is a biotrophic, basidiomycete responsible for corn smut disease. U. maydis exhibits several features similar to mammals including polar growth, microtubule-dependent organelle trafficking and open mitosis. In this study, we have exploited U. maydis as a new model system for studying fundamental processes in peroxisome biology. An intimate interrelationship between peroxisomes and mitochondria is emerging, where both organelles cooperate in cellular lipid homeostasis, oxidative balance, and innate immune response. As mitochondrial fatty acid β-oxidation is lacking in yeast and plants, suitable genetically accessible model systems to study this interrelationship are scarce. Combined molecular, cell biology and bioinformatics analyses were performed to provide a first comprehensive inventory of U. maydis peroxisomal proteins and pathways. Studies with a peroxisome-deficient Δpex3 mutant revealed the existence of parallel and complex, cooperative β-oxidation pathways in peroxisomes and mitochondria, mimicking the mammalian system. In mammalian cells, peroxisomes bind to and move along microtubules. In contrast, peroxisome motility in yeasts and plants requires the actin cytoskeleton. Peroxisome motility and dynamics are important prerequisites for peroxisome inheritance, proper intracellular distribution, positioning, organelle interactions, and biogenesis. A loss of trafficking and disturbed cytoplasmic distribution of peroxisomes can lead to a regional loss of essential peroxisomal activities and thus, to cell damage and degeneration. We revealed that peroxisomes in U. maydis move along microtubules, but peroxisome motility is early endosome-dependent. Moreover, lipid droplets and the ER appear to share a similar mechanism. Even distribution of peroxisomes is critical for cellular functions. However, the exact mechanism(s) for uniform peroxisome distribution are elusive. Using U. maydis, we demonstrated that the distribution and positioning of peroxisomes is dependent on microtubule-based processes and an actin-based polar drift. Microtubule-based processes include directed transport and active diffusion, which is a result of a constant flow and activity of motor proteins and organelles. These counteracting forces allow the proper distribution of peroxisomes throughout the hyphal cell. Moreover, work in mammalian cells, revealed a similar mechanism for proper distribution of peroxisomes. In summary, we provide novel evidence that the filamentous fungus U. maydis represents a suitable model to study fundamental biological processes of mammalian cells. Peroxisome motility and dynamics are important for cellular function and may prevent cell damage and degeneration. The use of U. maydis as a model system will lead to a better understanding of peroxisome dynamics and biology and will thus be of great cell biological and biomedical importance.

Os peroxissomas são organelos subcelulares ubíquos responsáveis por diversas funções metabólicas, nomeadamente a β-oxidação de ácidos gordos e destoxificação de espécies reativas de oxigénio, sendo por isso essenciais para a saúde e desenvolvimento humanos. O fungo filamentoso Ustilago maydis é um organismo biotrófico, do filo basidiomycota, que infesta o milho. Possui características similares às células de mamífero, nomeadamente a mobilidade através dos microtúbulos, o crescimento polar e a mitose aberta. Neste estudo usámos o U. maydis como modelo para o estudo de processos fundamentais da biologia dos peroxissomas. A cooperação entre os peroxissomas e a mitocôndrias tem-se revelado de grande interesse dada a existência de colaboração na β-oxidação de ácidos gordos, manutenção do equilíbrio oxidativo e do sistema imunitário inato. As mitocôndrias das plantas e leveduras não realizam β-oxidação, deste modo, é essencial um modelo geneticamente acessível para o estudo da relação entre os organelos. Assim, combinámos técnicas de biologia celular, molecular e de bioinformática gerámos um inventário das proteínas peroxissomais e das suas vias no U. maydis. Estudos com um mutante deficiente em peroxissomas, Pex3, revelaram a existência de uma cooperação paralela e complexa das vias de β- oxidação nas mitocôndrias e nos peroxissomas, à semelhança do que se observa nos mamíferos. Enquanto em leveduras e plantas os peroxissomas movem-se por filamentos de actina, em mamíferos os peroxissomas interagem e movimentam-se através dos microtúbulos. A mobilidade e dinâmica dos peroxissomas é fundamental para a distribuição intracelular, posicionamento, interações entre organelos e formação de novos organelos. Alterações no tráfico e/ou distribuição citoplasmática dos peroxissomas pode levar à perda de funções essenciais e levar à degeneração e morte celular. Aqui mostrámos que no U. maydis os peroxissomas se movem ao longo dos microtúbulos, mas este movimento é dependente dos endossomas primários. Adicionalmente, mostrámos que os corpos lipídicos e o retículo endoplasmático parecem partilhar um mecanismo semelhante. A distribuição uniforme dos peroxissomas é tida como essencial para as suas funções. No entanto, o mecanismo para a distribuição destes organelos é ainda desconhecido. Usando o U. maydis podémos verificar que os processos baseados no transporte através dos microtúbulos e distribuição polar, dependente da actina, são essenciais para a posicionamento dos peroxissomas. Os processos baseados no transporte através dos microtúbulos incluem transporte direto e difusão ativa. Estudos nas células de mamífero COS-7 revelaram um mecanismo semelhante na distribuição dos peroxissomas. Em suma, dispomos de novas evidências uso do U. maydis como modelo poderá conduzir a um melhor entendimento da dinâmica e biologia dos peroxissomas, o que poder-se-á revelar de grande valor biológico e de importância biomédica

Doutoramento em Biologia