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Regulation der Mikrofilamente im Malariaerreger Plasmodium

Ganter, Markus

English Title: Regulation of Microfilaments in Plasmodium

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PDF, German
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Abstract

Im Zentrum mannigfaltiger Bewegungen auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene steht ein Protein und dessen Eigenschaft Polymere zu formen: Actin. Um diese fundamentale Funktion erfüllen zu können, muss die Polymerisation von Actin und die Lebensdauer der Mikrofilamente präzise reguliert werden. Heute sind viele Proteine bekannt, die mit Actinmonomeren und / oder -polymeren interagieren. Ein großer Teil unseres Wissens über Actin, Zellmotilität und weitere motile Prozesse stammt von einfachen Modellorganismen, zu denen auch Arten der Gattung Plasmodium zählen. Diese obligat parasitär lebenden Einzeller stehen als Erreger der Malaria seit langem im Fokus der Forschung. Auf der Suche nach Interventionsstrategien wurde auch deren einzigartige actinabhängige Bewegung untersucht, die sog. gliding motility. Die Sequenzierung des Plasmodium Genoms unterstrich die Eigentümlichkeit dieser actinbasierten Bewegungsform. Anders als bei den meisten anderen Eukaryoten ist das Repertoire an actinbindenden Proteinen in Plasmodien erstaunlich klein: nur etwas mehr als ein Dutzend Proteine gehören dazu. Damit kann ein besseres Verständnis der Actinregulation in Plasmodium auch ganz neue Einblicke in altbekannte Prozesse liefern. Darüber hinaus könnten dringend benötigte neue Interventionsstrategien zur Bekämpfung von Malaria aufzeigt werden. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand das heterodimere capping protein und dessen Eigenschaft Actinfilamente durch die Interaktion mit dem + Ende zu stabilisieren. Angesichts der äußerst geringen intrinsischen Stabilität von Plasmodium Actin, könnte diese zelluläre Funktion besonders wichtig für den Parasiten sein. In dieser Arbeit konnte ich an P. berghei zeigen, dass beide Untereinheiten unterschiedliche vitale Zellfunktionen erfüllen. PbCP ist essentiell für die Proliferation in erythrozytären Stadien. Diese Funktion kann in vollem Umfang durch heterologes P. falciparum CP übernommen werden, ist aber untrennbar mit der Funktion des actinbindenden C-Terminus verknüpft. Möglicherweise moduliert CP Actin auch außerhalb des Parasiten, wie die unerwartete Lokalisierung andeutete. Die P. berghei CP erfüllt indes eine vitale Rolle für die Motilität von Parasitenstadien im Anopheles Vektor. Bereits cp(-) Ookineten sind nur eingeschränkt motil, was deren Infektivität drastisch herabsetzt. In cp(-) Sporozoiten manifestiert sich dieser Phänotyp weiter: sie sind nicht mehr zu produktiver Lokomotion in der Lage. Die Mehrzahl der Parasiten bleibt mit dem Mitteldarm assoziiert und eine Invasion der Speicheldrüsen findet nicht statt. cp(-) Sporozoiten sind damit auch nicht mehr infektiös für den Wirbeltierwirt. Eine vollständige Unterbrechung des Lebenszyklus ist die Folge. Auf andere Entwicklungsprozesse des Parasiten, u.a. Schizogonie, Gametogonie und Sporogonie, wirkte sich das Fehlen von PbCP jedoch nicht negativ aus. Meine genetische Analyse konnte damit den Erstnachweis für getrennte zelluläre Funktionen der P. berghei CP Untereinheiten liefern. Ich konnte diesen Befund in Actin-Polymerisationsversuchen mit den individuellen, aufgereinigten Untereinheiten belegen. Damit ist P. berghei CP das erste beschriebene capping protein, bei dem eine funktionelle Trennung der beiden Untereinheiten stattfand. Meine genetischen und biochemischen Daten stützen die These, dass die beiden P. berghei CP Untereinheiten ihre essentiellen Funktionen im Malaria-Parasiten als Homodimere erfüllen.

Translation of abstract (English)

For a plethora of motile processes on the macroscopic and microscopic levels, one protein and its ability to form polymers is crucial: actin. In order to sustain this fundamental function, actin polymer formation and the life span of microfilaments are tightly regulated. Today, many proteins are known, which interact with actin monomers and / or polymers. Many insights into the actin regulatory processes came from simple model systems, including species of the genus Plasmodium. This obligate intracellular parasite is the causative agent of malaria. In search for new intervention strategies, researcher examined also the unique actin-based motility of Plasmodium parasites, known as gliding motility. The sequence information of the Plasmodium genomes indicated many peculiarities of the parasite microfilament system. In marked contrast to other eukaryotes, the Plasmodium genome harbors only very few known homologues of actin regulatory proteins. Just little more than a dozen have been identified. Therefore, the limited repertoire of the Plasmodium microfilament system offers new insides into motility processes. The heterodimeric actin capping protein (CP) and its ability to stabilize filamentous actin is the focus of this thesis. To stabilize a filament, CP interacts with its fast growing + end. Given the very low intrinsic stability of Plasmodium actin, this cellular function may be central for fast parasite locomotion. Utilizing the rodent malaria parasite Plasmodium berghei, I could demonstrate, that both CP subunits perform separate vital functions for the parasite. PbCPis essential for proliferation in erythrocytic stages. This function can be complemented by the heterologous P. falciparum CP and relies crucially on the actin binding function of the C-terminus. Due to the unexpected surface localization, the  subunit may also modulate host cell actin during intraerythrocytic replication. P. berghei CP, in contrast, plays a vital role for the anopheline stages of the parasite. cp(-) ookinetes are impaired in productive locomotion, which translates into a drastically reduced infectivity. This motility phenotype is fully apparent in cp(-) sporozoites, which no longer glide in a productive manner. Most sporozoites stay associated with the mosquito midgut. Salivary glands are not colonized and cp(-) sporozoites are no longer infective to susceptible animals. This phenotype translates into a complete arrest of parasite lifecycle progression. Intriguingly, other Plasmodium developmental processes, e.g. schizogony, gametogony and sporogony, seem to be unaffected. Incidentally, my genetic analysis demonstrates for the first time that, both P. berghei CP subunits function individually. In support of this finding, I could also demonstrate capping activity of each individual recombinant protein in actin polymerization assays. In conclusion, this study characterizes P. berghei CP as the fist capping protein, where distinct essential functions are shared by two subunits. My experimental genetics and biochemical results support the idea, that the P. berghei capping protein subunits perform their vital functions in the malaria parasites as homodimers, rather than heterodimers.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lanzer, Prof. Michael
Date of thesis defense: 3 April 2009
Date Deposited: 15 Apr 2009 13:17
Date: 2009
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Mannheim > Institut für Hygiene und Medizinische Mikrobiologie
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Plasmodium, Plasmodium berghei, Malaria, Sporozoit, Actin, Actin-bindende Proteine, capping protein
Uncontrolled Keywords: Plasmodium , Malaria , Sporozoite , Actin , capping protein
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