Die Rolle von plasmodialen Perforinen während der Übertragung des Malariaerregers Plasmodium falciparum auf die Mücke

Wirth, Christine Clara; Spehr, Marc; Pradel, Gabriele

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-027948

Die Rolle von plasmodialen Perforinen während der Übertragung des Malariaerregers Plasmodium falciparum auf die Mücke = The role of plasmodial perforins during transmission of the malaria parasite Plasmodium falciparum to the mosquito

Wirth, Christine Clara

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Biologin Christine Clara Wirth

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (106 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pradel, Gabriele (Thesis advisor) ; Spehr, Marc (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-03-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-027948
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/572528/files/572528.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/572528/files/572528.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Malaria (frei) ; Plasmodium (frei) ; Perforin (frei) ; Transmission (frei) ; Gametozyten (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Sowohl in der asexuellen Phase des obligat intrazellulären Malariaerregers P. falciparum im Menschen, als auch während seiner sexuellen Replikationsphase im Anopheles-Vektor wechselt der Parasit wiederholt die Wirtszelle. Von besonderem Interesse ist dabei der Austritt aktivierter Gametozyten aus dem Wirtserythrozyten im Mitteldarm der Mücke. Dies markiert den Beginn der Sexualphase und ist für die Transmission des Malariaerregers unverzichtbar. Der Zellaustritt wird vom Parasiten aktiv reguliert und beginnt mit der Ruptur der parasitophoren Vakuolenmembran (PVM), gefolgt von der Erythrozytenmembran (EM). Eine detaillierte Kenntnis der Mitteldarmstadien ist Grundvoraussetzung für die Entwicklung transmissionsblockierender Strategien als Teil der Malariaprävention. Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung der fünf plasmodialen Perforin-artigen Proteine (PPLP1 bis 5) hinsichtlich ihrer potenziellen Beteiligung am Austritt aktivierter Gametozyten.Zunächst wurde das Expressionsmuster von PPLP1 bis 5 in Blutschizonten und Gametozyten untersucht. Mittels Immunfluoreszenzassays (IFA) konnte gezeigt werden, dass in beiden Stadien mehrere Vertreter dieser Proteinfamilie zeitgleich vorliegen. Die Charakterisierung von PPLP2 und PPLP4 durch Methoden der reversen Genetik ergab, dass PPLP2, jedoch nicht PPLP4, essentiell für den Zellaustritt der Gametozyten ist. Tatsächlich konnte duch Messung der Hämoglobinfreisetzung und elektronenmikroskopische Analyse gezeigt werden, dass PPLP2 an der Permeabilisierung der EM einige Minuten vor deren Ruptur direkt beteiligt ist. Aktivierte PPLP2-defiziente Gametozyten konnten zwar die Ruptur der PVM einleiten, die fertig entwickelten Gameten verblieben jedoch im Wirtserythrozyten. Hierdurch wurde die Transmission des Parasiten zur Mücke unterbunden.Für PPLP4 konnte mittels IFAs eine geschlechtsspezifische Expression in weiblichen Gametozyten nachgewiesen werden. PPLP4-defiziente Gametozyten durchlaufen die Gametogenese vollständig, in Fütterungsexperimenten mit dem Anopheles-Vektor akkumulieren die Ookineten jedoch im Mitteldarm der Mücke. Dies deutet auf eine essentielle Rolle von PPLP4 bei der Infektion des Mücken-Vektors hin.PPLP2 und PPLP4 konnten somit eigenständige, essentielle Funktionen bei der Transmission des Malariaparasiten zum Anopheles-Vektor zugeordnet werden. Diese Resultate vervollständigen eine erste funktionale Charakterisierung aller fünf plasmodialen Perforine und belegen eine streng stadienspezifische Funktionsweise der PPLPs. Die molekularen Grundlagen der unterschiedlichen Funktionen und Regulierungsprozesse gilt es jedoch als Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten zu klären.Mit der Identifizierung von PPLP2 und PPLP4 als essentielle Faktoren für die Weiterführung des P. falciparum-Lebenszyklus im Mitteldarm der Mücke konnte zu einem besseren Verständnis der molekularen Mechanismen der Malariatransmission beigetragen werden.

The obligate intracellular malaria parasite Plasmodium falciparum undergoes several changes of host cells during its intraerythrocytic blood cycle in the human host as well as during its sexual phase in the Anopheles vector. Of particular interest in this area is the egress of activated mature gametocytes from the host erythrocyte upon transmission to the mosquito midgut. This process marks the beginning of the sexual phase and is essential for the transmission of the malaria parasite. Host cell egress is actively regulated by the parasite and starts with rupture of the parasitophorous vacuole membrane (PVM) followed by the erythrocyte membrane (EM). Detailled knowledge about P. falciparum midgut stages is a prerequisite for development of transmission blocking strategies as part of malaria prevention. The aim of this thesis therefore was the analysis of five plasmodial perforin-like proteins (PPLP1 to 5) regarding their potential role during gametocyte egress.First of all, the expression pattern of PPLP1 to 5 in blood schizonts and activated gametocytes was investigated. Using immunofluorescence assays (IFA), simultaneous expression of several members of the PPLP family was detected for both parasite stages. However, characterization of PPLP2 and PPLP4 using reverse genetics showed that only PPLP2, not PPLP4, is essential for gametocyte egress. Participation of PPLP2 in EM permeabilization prior to membrane rupture was successfully demonstrated by quantification of hemoglobine release and electron microscopy. Although activated PPLP2-deficient gametocytes were able to initiate PVM rupture, the fully developed gamete remained trapped inside the host cell, therefore blocking parasite transmission to the mosquito.Regarding PPLP4, IFAs revealed female specific expression of the protein in gametocytes. PPLP4-deficient gametocytes complete gametogenesis but standard membrane feeding assays using Anopheles mosquitoes revealed a severely reduced formation of oocysts, while ookinetes accumulate in the mosquito midgut. These results point to an essential role of PPLP4 in the infection of the mosquito vector.It has therefore been shown for PPLP2 and PPLP4 that both perforin-like proteins play independent roles in transmission of the malaria parasite to the Anopheles vector. These results complete the initial functional characterization of all five plasmodial perforins and provide evidence for a strict stage specific mode of action of the PPLPs. Basic molecular principles of different functions and regulation processes displayed by the PPLPS will be subject to future research projects.The identification of PPLP2 and PPLP4 as essential factors for progress of the P. falciparum life cycle upon transmission to the mosquito midgut contributed to a better understanding of the molecular mechanisms during transmission of the malaria parasite.

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