Role of micronutrients during fungal infections

Skrahina, Volha GND

4207 Trace metals serve as structural and catalytic cofactors for numerous proteins and thus are crucial for all living organisms. Iron is the fourth most abundant element in the Earth’s crust and the most abundant metal in humans. The presence of redox active iron in living systems is critical for oxygen transport, energy production, DNA repair and replication, gene expression, and transcription. Zinc, the twenty fifth most abundant element in the Earth’s crust, is the second most abundant transition metal in vertebrates. Zinc is a redox inactive trace metal and its availability in organisms is indispensable for the function of more than 300 enzymes, DNA stabilization and synthesis, gene expression, protein synthesis, and immunity. Essential trace metals are required at various concentrations depending on the organism and the cellular function. The disturbance of optimal metals level is extremely harmful for cells, thus metal concentrations are tightly controlled within organisms. Correspondingly, the availability of metals is recognized as the central factor in infections. The host is able to both limit and overload iron and zinc levels in order to inhibit microbial growth in a process known as nutritional immunity. Depending on the pathogen species and their location within the organism, the host regulates metal levels from extreme deficiency in the blood to overload in phagosomes. In return, pathogens have evolved to counteract host mediated metal fluctuations. Under metal starvation pathogens rely on plasma membrane metal importers, chelators production, and host metalloproteins utilization. In response to metal toxicity pathogenic microorganisms make the use of plasma membrane metals exporters and intracellular detoxification systems. Candida albicans is a fungus that co-exists as a harmless commensal in humans, however, when the immune system is compromised or host’s barriers are damaged, C. albicans is able to cause superficial to severe systemic infections. During commensalism and infection, the fungus successfully inhabits host niches that dramatically vary in metals availability. Thus C. albicans is able to precisely regulate metals homeostasis via the comprehensive transcriptional network that controls metals assimilation, storage, detoxification, and mobilization processes.

Spurenlemente dienen als strukturelle und katalytische Co-faktoren für viele Proteine und sind somit unabdingbar für alle Lebewesen. Eisen ist das vierthäufigste Element der Erdkruste und das am häufigsten vorkommende Metall im Menschen. Das Vorhandensein von redox-aktivem Eisen in lebenden Organismen ist entscheidend für Sauerstofftransport, Energieerzeugung, DNA-Reparatur und -replikation, Genexpression und Transkription. Zink, das 25häufigste Element der Erdkruste, ist das zweithäufigste Metall in Wirbeltieren. Zink ist ein redox-inaktives Spurenelement und dessen Verfügbarkeit im Organismus ist unerlässlich für die Funktion von mehr als 300 Enzymen, für DNA Stabilisierung und -synthese, Genexpression, Proteinsynthese und das Immunsystem. Essentielle Spurenelemente werden entsprechend des Organismus und der zellulären Funktion in verschiedenen Konzentrationen benötigt. Eine Störung des Metallhaushaltes ist sehr schädlich für Zellen, weshalb die Konzentration an Metallen im Organismus streng reguliert wird. Die Verfügbarkeit an Metallen wird daher auch als ausschlaggebender Faktor während Infektionen angesehen. Der Wirt ist in der Lage Eisen- und Zinklevel sowohl zu beschränken als auch überzudosieren um das Wachstum von Mikroorganismen zu hemmen; ein Prozess der als nährstoffbasierte Immunität („nutritional immunity“) bekannt ist. In Abhängigkeit des Krankheitserregers und dessen Lokalisation im Organismus können Metalle extrem limitiert sein (z.B. im Blut) oder andererseits äußerst hohe Konzentrationen erreichen (z.B. im Phagosom). Im Gegenzug haben Krankheitserreger gelernt, den wirtsvermittelten Metallschwankungen entgegenzuwirken. Bei einem Metallmangel verwenden Krankheitserreger in erhöhtem Maße membrangängige Metallimporter, Chelatoren oder Metalloproteine des Wirts. Bei einem Metallüberschuss benutzen Krankheitserreger verstärkt Metallexporter in der Plasmamembran oder intrazelluläre Entgiftungssysteme. Candida albicans ist ein Hefepilz, der als harmloser Kommensale im Menschen existiert, jedoch unter Immunsuppression oder bei Schädigung der Wirtsbarrieren auch oberflächliche bis hin zu schweren systemischen Infektionen auslösen kann. Während Kommensalismus und Infektion kann der Pilz Wirtsnischen besiedeln, die sich in ihrer Verfügbarkeit an Metallen drastisch unterscheiden. Eine präzise Regulation des Metallgleichgewichts in C. albicans wird durch ein umfassendes Transkriptionsnetzwerk ermöglicht, welches die Metallaufnahme, -lagerung, detoxifizierung und -mobilisierung kontrolliert.

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Skrahina, Volha: Role of micronutrients during fungal infections. Jena 2018.

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