Funktionale Charakterisierung der Patatin-ähnlichen Phospholipase PNPLA1 in den Blut- und Sexualstadien des humanpathogenen Malariaerregers Plasmodium falciparum

Flammersfeld, Ansgar; Spehr, Marc; Pradel, Gabriele; Antonin, Wolfram

doi:10.18154/RWTH-2020-05048

Funktionale Charakterisierung der Patatin-ähnlichen Phospholipase PNPLA1 in den Blut- und Sexualstadien des humanpathogenen Malariaerregers Plasmodium falciparum = Functional characterization of the patatin-like phospholipase PNPLA1 in the blood and sexual stages of the human malaria parasite Plasmodium falciparum

Flammersfeld, Ansgar^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von von Master of Science Ansgar Flammersfeld

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (v, 209 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pradel, Gabriele (Thesis advisor)^RWTH* ; Antonin, Wolfram (Thesis advisor)^RWTH* ; Spehr, Marc (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-04-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-05048
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/789173/files/789173.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Plasmodium falciparum (frei) ; gametocyte induction (frei) ; malaria (frei) ; patatin-like phospholipase (frei) ; phosphatidylcholine (frei) ; sexual commitment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Für das Überleben des Malariaerregers P. falciparum sowohl im humanen Wirt als auch im Moskitovektor ist ein präzise regulierter Phospholipidmetabolismus essenziell. Daher wurden in vorangegangen Studien die in der Phospholipid-Synthese und -Akquirierung involvierten Proteine umfangreich experimentell untersucht und als Zielstrukturen für Malaria-Therapeutika evaluiert. Dagegen wurden Phospholipasen, die durch ihre Phospholipid-hydrolytische Aktivität potenziell wichtige Funktionen in den Membrandynamiken, bei dem Durchdringen von Wirtszellmembranen, in der Zellproliferation sowie in der Signaltransduktion aufweisen können, bislang nur unzureichend untersucht. In einer im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten umfangreichen Genomanalyse konnten imP. falciparum-Genom insgesamt 22 putative Phospholipasen identifiziert werden, von denen vier als Patatin-ähnliche Phospholipasen (PNPLA) annotiert sind. Für die als PNPLA1 bezeichnete PNPLA, für welche eine PLA2-spezifische Aktivität vorhergesagt wurde, konnte eine durchgängige zytosolische Expression in den Blut- und Sexualstadien gezeigt werden. PNPLA1-defiziente Parasiten wiesen dabei eine normale asexuelle Replikation, Gametozytenentwicklung und Gametogenese auf. Jedoch führte der PNPLA1-Verlust zu einer signifikant reduzierten Anzahl an Gametozyten und zu einer verlangsamten Entwicklung der fünf Reifestadien, während die episomale PNPLA1-Überexpression die Gametozytenbildung förderte. Der PNPLA1-Funktionsverlust führte weiterhin zu einer transkriptionellen Deregulierung von in der Gametozytogenese involvierten Genen, einschließlich des Gens für den Schlüsselregulator der Gametozytenbildung, dem Transkriptionsfaktor AP2-G. Eine vergleichende Lipidomanalyse zeigte, dass PNPLA1-defiziente Parasiten eine erhöhte Phospholipidkonzentration aufwiesen, insbesondere hinsichtlich Phosphatidylcholin (PC), dem Hauptbestandteil plasmodialer Membranen. Da der Parasit bei mangelnden Ausgangssubstraten für die essenzielle PC-Synthese mit einer erhöhten Gametozytenproduktion reagiert, ist PNPLA1 vermutlich indirekt über einen veränderten Lipidmetabolismus in die Gametozytenbildung involviert. Die erhöhten PC Konzentrationen aufgrund des PNPLA1-Funktionsverlusts verhindern dabei den Wechsel vom asexuellen Replikationszyklus ins infektiöse Gametozytenstadium. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern durch die erstmalige Charakterisierung einer plasmodialen PNPLA eine wichtige Grundlage zur Aufklärung der biochemischen und funktionalen Rolle von Phospholipasen im Lebenszyklus des Malariaerregers und vertiefen das Verständnis über die Regulation der sexuellen Differenzierung.

The malaria pathogen P. falciparum displays a well-regulated lipid metabolism required to ensure its survival in the human host as well as in the mosquito vector. Therefore, proteins involved in synthesis and acquisition of phospholipids were extensively studied in the past and represent prime targets for malaria therapeutics. In contrast, not much is known about phospholipases, which may have potentially important functions in membrane dynamics, host cell membrane penetration, cell proliferation, and cell signaling due to their phospholipid-hydrolytic activity. In a comprehensive genome analysis carried out within the scope of this work, a total of 22 putative phospholipases were identified in the P. falciparum genome, four of which are annotated as patatin like phospholipases (PNPLA). PNPLA1, a putative PLA2, is present in the asexual and sexual blood stages and here localizes to the cytosol. PNPLA1-deficient parasites showed normal asexual replication, gametocyte development and gametogenesis. However, parasites lacking PNPLA1 formed significantly less gametocyte numbers and showed delayed development of the five maturation stages, while episomal overexpression of PNPLA1 promoted gametocyte formation. The loss of PNPLA1 function also led to a transcriptional deregulation of genes related to game to cytogenesis, including the gene encoding the key regulator of sexual commitment, the transcription factor AP2-G. Comparative lipidodomic analysis of asexual PNPLA1-deficient parasites revealed overall increased levels of major phospholipids, in particular phosphatidylcholine (PC), which is the main component of plasmodial membranes. PC synthesis is known to be pivotal for erythrocytic replication, while reduced availability of PC precursors drives the parasite into game to cytogenesis. Thus, the higher PC levels due to PNPLA1-deficiency might prevent the blood stage parasites from entering the sexual pathway. By the first characterization of a plasmodial PNPLA, the results of this thesis contribute to the elucidation of the biochemical and functional role of phospholipases in the life cycle of the malaria pathogen and deepen the understanding of the sexual differentiation pathway.

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