Fungal Lectins. Molecular structure and function of a member of a novel lectin family.

Abstract

Lectins defined as non-enzyme, non-immunoglobulin carbohydrate binding proteins, have been found in a wide variety of viruses, bacteria, fungi, plants and animals. Although lectins have been purified from more than 60 different species of fungi, the structure and biological functions of these proteins are not well known. I examined the molecular structure of a lectin (designated AOL) isolated from the soil-living, nematode-trapping fungus Arthrobotrys oligospora and tried to determine its function(s). Like many other fungal lectins, AOL is a saline-soluble, low-molecular-mass protein consisting of two noncovalently associated, identical subunits (16 150 Da). The primary sequence of AOL displayed a large degree of similarity (identity 46%) to that of another saline-soluble, low-molecular-mass lectin (ABL) isolated from the saprophytic mushroom Agaricus bisporus. The primary sequence showed no significant similarity to any other lectins thus far sequenced from animals, plants or other microorganisms. The binding specificities of AOL and ABL were very similar. Both lectins bound to Galb3GalNAca-Ser/Thr and to certain complex N-linked sugars (if linked to proteins), as well as some sulfated glycoconjugates and to two phospholipids. These data show that AOL and ABL belong to a novel lectin family found in fungi. The fact that AOL and ABL are present in an ascomycete and a basidiomycete respectively (divergence 3.8 x 108 years ago) indicates that these proteins have important functions in fungi. The expression of AOL was metabolically and developmentally regulated. AOL can be very abundant (accounting for up to 20% of the total saline-soluble proteins in the mycelium) once the fungus has entered the stationary growth phase, if it is grown in media with low carbon/nitrogen ratios. During the later stages of the fungal infection (after penetration of the cuticle) of nematodes there was a large accumulation of AOL in the mycelium. Immunoelectron microscopy studies revealed AOL to be very abundant in the cytoplasm and nucleus of the fungal mycelium. The results indicate that AOL is a multifunctional protein involved in the assimilation and storage of nutrients, in non-self recognition (e.g defence) and in the organization of an intracellular matrix.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En typisk egenskap för de flesta proteiner är att de kan binda specifikt och reversibelt till olika ämnen. Välkända exempel är enzymer som kan binda till olika substrat och inhibitorer samt antikroppar som binder till antigen. Under min tid som doktorand vid avdelningen för mikrobiologisk ekologi vid Lunds universitet har jag studerat en grupp av proteiner i svamp som kallas lektiner. Lektiner finns inte bara hos svampar utan har även isolerats från andra organism grupper såsom virus, bakterier, växter och djur. Dessa lektiner är proteiner som binder till kolhydrat strukturer på ex. glykoproteiner, glykolipider som finns på cell ytor men även inne i celler. Förutom lektiner kan även antikroppar och vissa enzymer binda till kolhydrater. Lektiner är därför definierade som proteiner som kan binda till kolhydrater men som inte är antikroppar eller enzymer.



Kolhydrater kan ha en mycket komplex struktur. Till skillnad från nukleotider in nukleinsyror och aminosyror i proteiner, vilka endast kan kopplas ihop på ett sätt, kan socker enheterna i kolhydrater sammanfogas på flera olika sätt. Till exempel kan två identiska enkla socker bilda 11 olika disackarider medan två aminosyror kan endast bilda en dipeptid. Denna potential hos kolhydrater att bilda komplexa strukturer gör att kolhydrater är mycket lämpade för att koda information. Man tror att lektiner kan dekoda denna information genom att binda till socker delen på ex glykoproteiner.



Den biologiska betydelsen för flertalet lektin-socker interaktioner är fortfarande okänd. Dock är det väl känt att lektiner på ytan av bakterier, virus och vissa mag-parasiter (ex amöbor) är viktiga för att dessa organismer skall kunna binda till epitel celler hos värd organismen och därigenom möjliggöra att en infektion kan ske. Vidare vet man att lektiner från djur är involverade i ett flertal biologiska processer såsom cell-cell och cell-matrix interaktioner, fagocytos, programmerad cell död samt mRNA processning. Lektiner har blivit isolerade från mer än 60 olika svamp-arter och ett flertal av dessa kan förekomma i stora mängder i svampens mycel. Trots detta vet man mycket lite om bla vilken struktur, var proteinerna finns i mycelet samt vilken funktion dessa proteiner har i svampar.



Jag har under min doktorandtid renat upp, bestämt struktur, lokalisering, bindingspecificitet, reglering samt möjliga funktioner hos ett lektin (kallat för AOL) från den nematod fångande svampen Arthrobotrys oligospora. I likhet med det flesta svamp lektiner är detta ett salin-lösligt låg molekylärt protein som består av två lika subenheter som är icke kovalent associerade. Aminosyra sekvensen för detta protein har stora likheter med ett annat svamp lektin (ABL) från den vanliga champinjon (Agaricus bisporus) som odlas kommersiellt. Inga andra proteiner som har sekvenserats från djur, växter eller andra mikroorganismer har aminosyra sekvenser som är lika AOL och ABL. Dessa båda svamplektiner binder till samma socker strukturer (sulfaterade socker, Galb3GalNAc och vissa andra komplexa socker strukturer bundna till proteiner) samt två fosforlipider. Dessa sekvens- och bindnings-data visar att dessa båda lektiner utgör en ny familj av lektiner som finns hos svampar. Intressant är att A. oligospora är en ascomycet och A. bisporus är en basidiemycet. Dessa svamp grupper separerades från varandra för 380 miljoner år sedan och att dessa proteiner fortfarande är så lika varandra tyder på att det har en viktig funktion hos dessa svampar. Data från andra försök tyder på att flertal andra svampar har proteiner som tillhör samma familj av lektiner.



Kaniner immuniserades med AOL och dessa antikroppar användes senare för att lokalisera AOL i svampens mycel mha immunoelektron mikroskopi. Dessa studier visar att AOL kan förekomma mycket rikligt intracellulärt i svamp mycel, i både cytoplasman och i cell-kärnor. Förekomsten av AOL i mycelet beror bla på mycelets ålder och vilket substrat svampen är odlat på. Om svampen odlats i medier med mycket kväve i förhållande till mängden kol så kan detta protein utgöra så mycket som 20% av de salin-lösliga proteinerna i svampen. A. oligospora kan både leva som en saprofyt (nedbrytare av dött organiskt material i naturen) samt infektera nematoder (små rund maskar) i marken och därigenom få tillgång till näring. För att kunna fånga nematoder bildar svampen speciella fångst organ. Nematoderna lockas till dessa fångst organ samt fastnar i ett klister på dess yta och svampen dödar senare nematoden och växer in i dess kropp och bryter ned dess vävnader. Vid denna infektion av nematoder ökar mängden av AOL dramatiskt från några få procent till mellan 20-30% av de salin lösliga proteinerna i mycelet. Dessa data tyder på att AOL kan en viktig funktion hos svampen genom att lagra näring (kväve och kol) som senare kan användas vid ex en svält situation.



Intressant är också att AOL (och ABL) binder till socker strukturer som inte man har hittat hos svampar men som är vanligt förekommande i glykoproteiner hos olika djur. AOL och ABL binder binder till ett flertal glykosylerade proteiner från marklevande nematoder och hopp stjärtar men än så länge har jag inte funnit några proteiner som AOL binder till i extrakt av det egna mycelet. Vissa nematoder och hoppstjärtar är viktiga predatorer på svamp. Det är därför möjligt att AOL och ABL är involverade i ett primitivt försvars system mot dessa predatorer liknade som beskrivits för vissa växt lektiner. Man har visat att växt lektiner (som förekommer rikligt i bla frön) kan binda till glykosylerade proteiner och lipider i tarm kanalen hos predatorn och därigenom bla störa näringsupptaget hos predatorn.



Den mycket rikliga förekomsten av AOL i svampens cytoplasma, att AOL kan binda till ett stort antal olika strukturer, samt vissa preliminära data som tyder på att detta protein kan bilda långa filament liknande strukturer, innebär att AOL kan vara ett cytoskelett protein. Andra exempel på rikligt förekommande, filament bildande cytoskelett protein är aktin och tubulin. Dessa protein, som kan binda ett stort antal andra proteiner, är involverade i de flesta processer som sker inne i cellerna vid celldelning, morfogenes, kommunikation med omvärlden m.m.



Sammanfattningsvis är det troligt att ett flertal svampar har proteiner som tillhör samma familj som AOL och ABL samt att dessa proteiner kan ha en för svampen flertal viktiga funktioner. Data tyder på att AOL kan vara ett cytoskelett protein som är involverad i assimilering och lagring av näring (lagringsprotein) samt användas i svampens försvar mot predation m.m.

• author: Rosén, Stefan
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Peumans, Willy
• organization: Department of Biology; Microbial Ecology (research group)
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: possible functions, expression, localization, binding specificities, primary and secondary structure, Agaricus bisporus, Arthrobotrys oligospora, Fungi, novel lectin family, Biology, Biologi
• pages: 63 pages
• defense location: N/A
• defense date: 1996-06-07 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNBDS/NBME--96/1008--SE
• ISBN: 91-7105-076-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Microbial Ecology (Closed 2011) (011008001)
• id: f79a646a-e32f-45ea-9fb0-c6f95b08caf3 (old id 28530)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:39:56
• date last changed: 2020-09-23 15:15:13