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Untersuchungen zur zellulären und humoralen Immunantwort gegen das Merozoitenoberflächenprotein-1 des Malariaerregers Plasmodium falciparum

Idler, Irina

English Title: Analysis of the cellular and humoral immune response to the major-surface-protein 1 (MSP1) of the malaria parasite Plasmodium falciparum

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Abstract

Malaria ist mit geschätzten 300-500 Millionen klinischen Fällen jährlich eine der bedrohlichsten Infektionskrankheiten der heutigen Welt. Die Ursache der lebensbedrohlichen Form der Malaria, der Malaria tropica, ist der einzellige Parasit, Plasmodium falciparum. Die Entwicklung eines Impfstoffes gegen Malaria wäre ein wichtiger Beitrag um die Seuche zu kontrollieren und könnte die Lebenssituation der Menschen in Malaria-verseuchten Gebieten verbessern. Da P. falciparum dem Immunsystem des Menschen sehr effizient angepasst ist, konnte bislang kein effektiver Impfstoff entwickelt werden. In der Malaria-Impfstoffentwicklung wird i.a. nicht mit attenuierten oder abgetöteten Erregern gearbeitet, da der komplette Lebenszyklus bislang nicht in synthetischen Medien zu kultivieren ist. Man fokussiert sich hauptsächlich auf einzelne Proteine oder Teilbereiche von Proteinen, die der Parasit während seines Lebenszyklus dem Immunsystem des Wirts präsentiert. Dabei wurden vielversprechende Kandidaten identifiziert. In unserer Gruppe konzentrieren wir uns auf das Merozoitenoberflächenprotein-1 (merozoite surface protein 1, MSP-1), das Hauptoberflächenprotein des Blutstadiums von P. falciparum. MSP-1 gilt als einer der interessantesten Impfstoffkandidaten. Für die Entwicklung einer effektiven Impfstoffstrategie ist es wichtig, die Verteilung stark immuno-stimulatorischer Bereiche innerhalb des Proteins zu kennen. Außerdem ist von Interesse, wie die humoralen und zellulären Abwehrsysteme des Immunsystems unter natürlichen Bedingungen, auf MSP-1 reagieren. Die humorale Antwort spielt vor allem bei der Abwehr der Blutstadien eine Rolle, während die zelluläre Reaktion mit der Eliminierung befallener Leberzellen assoziiert wird. Während man weiß, daß die humorale Immunantwort des Menschen durch spezifische Antikörper gegen MSP-1 protektiv wirken kann, ist über die möglicherweise CD8+ T-Zell vermittelte zelluläre Antwort gegen MSP-1 nichts bekannt. Um CD8+ T-Zellen zu aktivieren, müssen kurze Stücke (meist neun Aminosäuren) in der Grube eines MHC-Klasse-I Rezeptors auf die Oberfläche einer Zelle transportiert werden. Solche Peptide nennt man „Epitope“. Es war das wichtigste Ziel dieser Arbeit, CD8+ T-Zellepitope von MSP-1 zu identifizieren, wobei wir nach HLA-A*0201-restringierten T-Zellepitopen suchten. Wir verfolgten zwei Ansätze zur Identifikation von CD8+ T-Zellepitopen, die sich gegenseitig ergänzen und verifizieren sollten. - Eine computergestützte Vorhersage von SYFPEITHI lieferte potentiell an HLA-A*0201 bindende Epitope von MSP-1. Um die in-vivo Relevanz dieser Epitope zu prüfen, wurde ein transgenes Maussystem verwendet, das den humanen HLA-A*0201 Rezeptor exprimiert („HHD-2 Mäuse“) und sich eignet, um verschiedene Impfprotokolle zu testen. MSP-1 Epitop-spezifische CD8+ T-Zellen können in MSP-1 immunisierten Mäusen mittels Tetramer-Technologie angefärbt werden. Wir fanden eine Hierarchie der Immunodominanz zwischen verschiedenen MSP-1 Epitopen. Das Peptid 291 in der Region p38 von MSP-1 dominierte die Immunantwort und induzierte die größten spezifischen CD8+ T-Zellpopulationen. Bestätigt wurde dieser Befund über intrazelluläre Zytokin (IFN-γ) Anfärbungen Epitop-spezifischer T-Zellen. - Die zweite Strategie sollte physiologisch präsentierte Peptide von MSP-1 identifizieren und somit die in-vivo Situation in menschlichen Zellen reflektieren. Von einer Tetrazyklin-abhängig MSP-1 exprimierenden HLA-A*0201-positiven Zelllinie wurden HLA-A*0201 präsentierte Peptide eluiert und massenspektrometrisch analysiert. Dabei wurde das Epitop 674, das sich in der Untereinheit p83 von MSP-1 befindet, identifiziert. Die Relevanz dieses Ergebnisses konnte durch erste Tetramer-Analysen an peripheren Lymphozyten von malaria-exponierten Individuen bestätigt werden. Wir fanden immunodominante und häufige CD8+ T-Populationen insbesondere gegen Epitope 674 und 291. Andere Epitope wurden ebenfalls erkannt, allerdings mit geringerer Frequenz und von kleineren T-Zellpopulationen.

Translation of abstract (English)

With an estimated 300-500 million acute cases annually, Malaria is one of the most threatening infectious diseases of the modern world. The cause of the life-threatening variant, Malaria tropica, is the Protozoon P. falciparum. Developping a vaccine against Malaria would be an important step in controlling the disease and would improve life-standards of populations of endemic regions. Since the protozoan parasite has adapted very efficiently to the human immune system, no effective vaccination strategy could be developed up to date. The focus in Malaria vaccine-design is not on attenuated or killed whole P.falciparum organisms, as culturing of the complete life-cycle of Plasmodium in fully synthetic medium is not possible. Instead, vaccines are developped on the basis of single proteins or parts of proteins that are presented to the host-immunesystem during the parasite lifecycle. Using this strategy, promising candidates where identified. Our group concentrates on Merozoite-Surface-Protein-1 (MSP-1) which is the most abundant surface protein of the blood-stage of Plasmodium and thus one of the most promising candidates for a malaria vaccine. For the development of an efficient vaccine, knowledge about the distribution of strong immunostimulatory parts of the molecule is essential. It is also of interest if and how the humoral and cellular arm of the immunsystem target MSP-1 under natural infectious conditions. The humoral arm plays an important role in controlling the blood-stages, whereas the cellular immunereaction is primarily the elimination of Plasmodium-infected hepatocytes. The humoral response against MSP-1 can have protective effects, yet nothing is known about the cellular answer of CD8+ cytotoxic T-Lymphocytes against MSP-1. To activate CD8+ T-cells, short peptides (mostly nonamers) derived from MSP-1 protein have to be transported to the cell surface in the groove of an MHC-class-I receptor. Such peptides are called “epitopes”. It was the central aim of this thesis to identify such CD8+ T-cell epitopes of MSP-1. We concentrated on HLA-A*0201 restricted epitopes and persued two experimental strategies to identify CD8+ T-cell epitopes: - A computer-based prediction using SYFPEITHI programm identified potential HLA-A*0201 binding epitopes in MSP-1. To test the in vivo relevance of these predicted epitopes we used a transgene mouse-system in which the human HLA-A*0201 receptor is expressed (HHD-mice). The HHD-mouse model is an excellent system for testing different vaccination schemes. MSP-1 epitope specific T-cells were flourescently marked in immunized mice using the tetramer technology. We found a hierarchy of immunodominance between the tested MSP-1 epitopes. Peptide 291 which localizes to the p38 region of MSP-1 dominated the CD8+ immune response in most immunized mice and induced the largest epitope-specific T-cell populations. - With the second strategy we wanted to identifiy physiologically presented peptides of MSP-1 reflecting the in-vivo situation in human cells. HLA-A*0201 MSP-1 was tetracyclin-inducibly expressed in a HLA-A*0201+ cellline and the presented physiological epitopes were eluted and analyzed by mass spectrometry. Thereby peptide 674 was identfied which localizes in the p83 subunit of MSP-1. This result could be confirmed in first tetramer-analyses on peripheral lymphocytes of malaria-exposed individuals. We found an immunodominance and frequent CD8+ T-cell populations against epitopes 674 and 291. Other epitopes were also recognized, but in lower frequencies and smaller T-cell populations.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bujard, Prof. Dr. Hermann,
Date of thesis defense: 2 November 2004
Date Deposited: 07 Jul 2005 12:35
Date: 2004
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Malaria, Plasmodium falciparum, Immunreaktion, Humorale Immunität, Zelluläre Immunität, Impfstoff, MHC Klasse I, Epitop
Uncontrolled Keywords: MSP-1
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