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Linkage analysis identifies an ubiquitin transferase gene as a novel marker for reduced quinine and quinidine responsiveness in Plasmodium falciparum

Liu, Chia-Hao

German Title: Linkage-Analyse identifiziert ein Ubiquitin Transferase Gen als einen neuartigen Marker fuer Chinin und Chinidin Resistenz in Plasmodium falciparum

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Abstract

Die Entstehung und die Ausbreitung von Medikamentenresistenzen hat die Behandlung von Malaria, einer Infektionskrankheit, welche mehr als eine Millionen Tote in Afrika verursacht, erschwert. Chloroquin war ab dem Zweiten Weltkrieg das wichtigste Medikament bei der Behandlung von Malaria. Allerdings trat in den späten 50iger Jahren Chloroquinresistenz in Südostasien auf, welche sich dann schnell nach Südamerika und Afrika ausbreitete. Deshalb wurde Chloroquin bald darauf abgesetzt. Chloroquinresistenz wird hauptsächlich durch eine Punktmutation von Aminosäure K zu T an Position 76 in dem chloroquine resistance transporter, pfcrt, verursacht. Pfcrt-Mutationen beeinflussen auch Resistenzen gegen andere Quinolinmedikamente wie zum Beispiel Chinin. Im Falle von Chinin gibt es Resultate, welche darauf hindeuten, dass Chininresistenz von mehr Faktoren beeinflusst wird als pfcrt. Durch Analyse der Chininakkumulation von den Nachkommen der genetischen Kreuzung zwischen HB3 und Dd2 in vorherigen Studien konnte ein neuer sogenannter “quantitative trait” Lokus auf Chromosom 7 identifiziert werden, B5M12. Der B5M12-Lokus interagiert synergistisch mit pfcrt bei der Reduzierung der Chininsuszeptibilität. Durch eine nachfolgende Analyse von 50 Feldisolaten und Laborstämmen konnten wir den Lokus auf zwei Kandiadatengene eingrenzen: die Ubiquitintransferase und RAMA (Rhoptry Associated Membrane Antigen). Eine Y zu F Mutation an Position 1388 in der Ubiquitintransferase interagiert synergistisch mit mutiertem pfcrt bei Chininresistenz. Zusätzlich wurde unter Quininselektionsdruck durch Kopplungsanalyse die Ubiquitintransferase Y1388F mit pfcrt K76T co-selektiert. Im Anschluss daran wurde RAMA als Kandidatengen ausgeschlossen, aufgrund eines fehlenden Synergismus zu mutiertem pfcrt und des Trends der Zusammenlagerung mit pfcrt. Die Identifizierung einer möglichen Ubiquitintransferase könnte die molekulare Kontrolle der Quininresistenz im Feld verbessern. Zusätzlich haben wir die Polymorphismen von pfcrt und pfmdr1 in 50 Feldisolaten und Laborstämmen untersucht. Wir konnten einen zusätzlichen Effekt der geospezifischen pfcrt M75E Mutation auf eine verringerte Quininsuszeptibilität zeigen. Im Fall von pfmdr1 konnte für keine der Mutationen ein Einfluss auf die Quininsuszeptibilität gezeigt werde.

Translation of abstract (English)

The emergence and spread of drug resistance has complicated the clinical treatment of malaria, an infectious disease that caused about one million deaths in Africa annually. Chloroquine was the first-line treatment until 2001. Chloroquine resistance was detected simultaneously in the late 50’s in all main endemic areas, spreading rapidly to South America and Africa. Thus, the use of chloroquine has had been discontinued. Chloroquine resistance mainly results from a K to T mutation at position 76 within the chloroquine resistance transporter, pfcrt. Pfcrt mutations have been reported to be involved in resistance to other quinoline drugs, including quinine. In the case of quinine there are evidences suggesting that reduced quinine susceptibility results from multiple mutational changes in genetic factors other than pfcrt. By analysis of quinine accumulation in the F1 progeny of HB3 x Dd2 genetic cross, previous studies have identified a novel quantitative trait locus on chromosome 7, termed B5M12 that synergistically interacts with pfcrt in reducing quinine susceptibility. Subsequent analysis of 50 field isolates and lab strains could narrow down the locus to two candidate genes, including a putative ubiquitin transferase and RAMA (Rhoptry Associated Membrane Antigen). A Y to F mutation at position 1388 in the putative ubiquitin transferase was highly synergistically associated with mutant pfcrt in quinine resistance. The linkage analysis showed that Y1388F mutation of the putative ubiquitin transferase was co-selected with the pfcrt K76T mutation under the pressure of quinine treatment. RAMA was subsequently excluded as a candidate gene due to a lost of synergy with mutant pfcrt and the evidence that RAMA co-segregated with pfcrt. The identification of the putative ubiquitin transferase as a potential marker gene might improve the molecular surveillance of quinine resistance in the field. In addition, I also investigated the polymorphisms of pfcrt and pfmdr1 in the 50 field isolates and lab strains. I could observe an additive effect of the geo-specific pfcrt M75E mutation in reduced quinine susceptibility. However, for pfmdr1, none of the mutation contributed to alter quinine susceptibility.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lanzer, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 17 January 2012
Date Deposited: 20 Jan 2012 11:10
Date: 2012
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Hygiene-Institut
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: falciparum , quinine , ubiquitin
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