More than 300 labs worldwide are using the fungus Aspergillus nidulans as a model system for molecular genetics, and other species of this fungus are important in everyday life. A package of three genomics papers in this issue covers the Aspergillus field comprehensively. Galagan et al. report the genome sequence of the laboratory classic A. nidulans, and Nierman et al. have sequenced A. fumigatus, known chiefly as a human pathogen and allergen. And finally Machida et al. present genome sequencing and analysis of A. oryzae, focusing in particular on the expansion of genes in its genome, which is almost 25% bigger than the other two genomes. A. oryzae is used in traditional Chinese and Japanese food fermentation (think soy sauce) and also in enzyme production by biotechnologists. Aspergillus fumigatus is exceptional among microorganisms in being both a primary and opportunistic pathogen as well as a major allergen1,2,3. Its conidia production is prolific, and so human respiratory tract exposure is almost constant4. A. fumigatus is isolated from human habitats5 and vegetable compost heaps6,7. In immunocompromised individuals, the incidence of invasive infection can be as high as 50% and the mortality rate is often about 50% (ref. 2). The interaction of A. fumigatus and other airborne fungi with the immune system is increasingly linked to severe asthma and sinusitis8. Although the burden of invasive disease caused by A. fumigatus is substantial, the basic biology of the organism is mostly obscure. Here we show the complete 29.4-megabase genome sequence of the clinical isolate Af293, which consists of eight chromosomes containing 9,926 predicted genes. Microarray analysis revealed temperature-dependent expression of distinct sets of genes, as well as 700 A. fumigatus genes not present or significantly diverged in the closely related sexual species Neosartorya fischeri, many of which may have roles in the pathogenicity phenotype. The Af293 genome sequence provides an unparalleled resource for the future understanding of this remarkable fungus.

Fungal secondary metabolism has become an important research topic with great biomedical and biotechnological value. In the postgenomic era, understanding the diversity and the molecular control of secondary metabolites (SMs) are two challenging tasks addressed by the research community. Discovery of the LaeA methyltransferase 10 years ago opened up a new horizon on the control of SM research when it was found that expression of many SM gene clusters is controlled by LaeA. While the molecular function of LaeA remains an enigma, discovery of the velvet family proteins as interaction partners further extended the role of the LaeA beyond secondary metabolism. The heterotrimeric VelB-VeA-LaeA complex plays important roles in development, sporulation, secondary metabolism, and pathogenicity. Recently, three other methyltransferases have been found to associate with the velvet complex, the LaeA-like methyltransferase F and the methyltransferase heterodimers VipC-VapB. Interaction of VeA with at least four methyltransferase proteins indicates a molecular hub function for VeA that questions: Is there a VeA supercomplex or is VeA part of a highly dynamic cellular control network with many different partners?

ABSTRACT Secondary metabolites, or biochemical indicators of fungal development, are of intense interest to humankind due to their pharmaceutical and/or toxic properties. We present here a novel Aspergillus nuclear protein, LaeA, as a global regulator of secondary metabolism in this genus. Deletion of laeA ( Δ laeA ) blocks the expression of metabolic gene clusters, including the sterigmatocystin (carcinogen), penicillin (antibiotic), and lovastatin (antihypercholesterolemic agent) gene clusters. Conversely, overexpression of laeA triggers increased penicillin and lovastatin gene transcription and subsequent product formation. laeA expression is negatively regulated by AflR, a sterigmatocystin Zn 2 Cys 6 transcription factor, in a unique feedback loop, as well as by two signal transduction elements, protein kinase A and RasA. Although these last two proteins also negatively regulate sporulation, Δ laeA strains show little difference in spore production compared to the wild type, indicating that the primary role of LaeA is to regulate metabolic gene clusters.

Differentiation and secondary metabolism are correlated processes in fungi that respond to light. In Aspergillus nidulans , light inhibits sexual reproduction as well as secondary metabolism. We identified the heterotrimeric velvet complex VelB/VeA/LaeA connecting light-responding developmental regulation and control of secondary metabolism. VeA, which is primarily expressed in the dark, physically interacts with VelB, which is expressed during sexual development. VeA bridges VelB to the nuclear master regulator of secondary metabolism, LaeA. Deletion of either velB or veA results in defects in both sexual fruiting-body formation and the production of secondary metabolites.

A wide variety of enzymatic pathways that produce specialized metabolites in bacteria, fungi and plants are known to be encoded in biosynthetic gene clusters. Information about these clusters, pathways and metabolites is currently dispersed throughout the literature, making it difficult to exploit. To facilitate consistent and systematic deposition and retrieval of data on biosynthetic gene clusters, we propose the Minimum Information about a Biosynthetic Gene cluster (MIBiG) data standard.

Attenuating the Taxol productivity of fungi with the subculturing and storage under axenic conditions is the challenge that halts the feasibility of fungi to be an industrial platform for Taxol production. This successive weakening of Taxol productivity by fungi could be attributed to the epigenetic down-regulation and molecular silencing of most of the gene clusters encoding Taxol biosynthetic enzymes. Thus, exploring the epigenetic regulating mechanisms controlling the molecular machinery of Taxol biosynthesis could be an alternative prospective technology to conquer the lower accessibility of Taxol by the potent fungi. The current review focuses on discussing the different molecular approaches, epigenetic regulators, transcriptional factors, metabolic manipulators, microbial communications and microbial cross-talking approaches on restoring and enhancing the Taxol biosynthetic potency of fungi to be industrial platform for Taxol production.

Sterigmatocystin (ST) and the aflatoxins (AFs), related fungal secondary metabolites, are among the most toxic, mutagenic, and carcinogenic natural products known. The ST biosynthetic pathway in Aspergillus nidulans is estimated to involve at least 15 enzymatic activities, while certain Aspergillus parasiticus, Aspergillus flavus, and Aspergillus nomius strains contain additional activities that convert ST to AF. We have characterized a 60-kb region in the A. nidulans genome and find it contains many, if not all, of the genes needed for ST biosynthesis. This region includes verA, a structural gene previously shown to be required for ST biosynthesis, and 24 additional closely spaced transcripts ranging in size from 0.6 to 7.2 kb that are coordinately induced only under ST-producing conditions. Each end of this gene cluster is demarcated by transcripts that are expressed under both ST-inducing and non-ST-inducing conditions. Deduced polypeptide sequences of regions within this cluster had a high percentage of identity with enzymes that have activities predicted for ST/AF biosynthesis, including a polyketide synthase, a fatty acid synthase (alpha and beta subunits), five monooxygenases, four dehydrogenases, an esterase, an 0-methyltransferase, a reductase, an oxidase, and a zinc cluster DNA binding protein. A revised system for naming the genes of the ST pathway is presented.

Abstract In the filamentous fungus Aspergillus nidulans, a heterotrimeric G protein α-subunit and an RGS domain protein, encoded by fadA and flbA, respectively, regulate production of the carcinogenic metabolite sterigmatocystin (ST) and asexual spores (i.e., conidia). We investigated the genetic involvement of the cAMP-dependent protein kinase catalytic subunit (PkaA), a potential downstream target of FadA activity, in ST production and conidiation. Relative to wild type, sporulation was decreased in the pkaA overexpression strain but was not totally absent, as occurs in ΔflbA or fadAG42R (fadA-dominant active) strains. Deletion of pkaA resulted in a hyper-conidiating strain with limited radial growth. This phenotype was epistatic to mutation in flbA or fadA; the double mutants ΔpkaA; ΔflbA and ΔpkaA; fadAG42R recovered sporulation and their radial growth was severely restricted. PkaA overexpression also negatively regulated AflR, the ST biosynthesis-specific transcription factor, both transcriptionally and post-transcriptionally. Deletion of pkaA restored ST production in the ΔflbA background but not in the fadAG42R background. These data provide genetic evidence that the FlbA/FadA signaling pathway regulating ST production and morphological development is partially mediated through PkaA.

Bioactive small molecules are critical in Aspergillus species during their development and interaction with other organisms. Genes dedicated to their production are encoded in clusters that can be located throughout the genome. We show that deletion of hdaA, encoding an Aspergillus nidulans histone deacetylase (HDAC), causes transcriptional activation of two telomere-proximal gene clusters--and subsequent increased levels of the corresponding molecules (toxin and antibiotic)--but not of a telomere-distal cluster. Introduction of two additional HDAC mutant alleles in a DeltahdaA background had minimal effects on expression of the two HdaA-regulated clusters. Treatment of other fungal genera with HDAC inhibitors resulted in overproduction of several metabolites, suggesting a conserved mechanism of HDAC repression of some secondary-metabolite gene clusters. Chromatin regulation of small-molecule gene clusters may enable filamentous fungi to successfully exploit environmental resources by modifying chemical diversity.

Abstract Fungi are prolific producers of natural products, compounds which have had a large societal impact as pharmaceuticals, mycotoxins, and agrochemicals. Despite the availability of over 1000 fungal genomes and several decades of compound discovery efforts from fungi, the biosynthetic gene clusters (BGCs) encoded by these genomes and the associated chemical space have yet to be analyzed systematically. Here we provide detailed annotation and analyses of fungal biosynthetic and chemical space to enable genome mining and discovery of fungal natural products. Using 1037 genomes from species across the fungal kingdom (e.g., Ascomycota, Basidiomycota, and non-Dikarya taxa), 36,399 predicted BGCs were organized into a network of 12,067 gene cluster families (GCFs). Anchoring these GCFs with reference BGCs enabled automated annotation of 2,026 BGCs with predicted metabolite scaffolds. We performed parallel analyses of the chemical repertoire of Fungi, organizing 15,213 fungal compounds into 2,945 molecular families (MFs). The taxonomic landscape of fungal GCFs is largely species-specific, though select families such as the equisetin GCF are present across vast phylogenetic distances with parallel diversifications in the GCF and MF. We compare these fungal datasets with a set of 5,453 bacterial genomes and their BGCs and 9,382 bacterial compounds, revealing dramatic differences between bacterial and fungal biosynthetic logic and chemical space. These genomics and cheminformatics analyses reveal the large extent to which fungal and bacterial sources represent distinct compound reservoirs. With a >10-fold increase in the number of interpreted strains and annotated BGCs, this work better regularizes the biosynthetic potential of fungi for rational compound discovery. Significance Statement Fungi represent an underexploited resource for new compounds with applications in the pharmaceutical and agriscience industries. Despite the availability of >1000 fungal genomes, our knowledge of the biosynthetic space encoded by these genomes is limited and ad hoc. We present results from systematically organizing the biosynthetic content of 1037 fungal genomes, providing a resource for data-driven genome mining and large-scale comparison of the genetic and molecular repertoires produced in fungi and compare to those present in bacteria.