German Title: Der Einfluss des Myosin Motors und Umweltfaktoren auf die gleitende Bewegung von Plasmodium

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Abstract

Cell migration of Plasmodium parasites, the causative agents of malaria, is powered by an actomyosin motor. This substrate-dependent type of movement termed gliding motility is important at different stages throughout the complex life cycle of these parasites and is required to traverse tissues and invade host cells. The motor complex is located beneath the plasma membrane and consists of anchored myosin A proteins that exert forces on actin filaments which can be transmitted to a substrate by transmembrane proteins. How the surrounding environment impacts parasite motility is not fully understood. Furthermore, it is unclear how the actomyosin motor can be modulated to allow for stage-specific regulation of parasite motility. In the first part of this study, I show how substrate elasticity, confinement and pore size affect Plasmodium motility using polyacrylamide hydrogels. I found that the parasites were not capable to move persistently on flat soft substrates, while the migratory capacity increased with substrate stiffness. In confined environments on the other hand parasites moved robustly even if the surrounding matrix was extremely soft. Plasmodium sporozoites, the stages transmitted into the dermis by a mosquito, could squeeze through the tiny pores of polyacrylamide hydrogels. This 3D hydrogel assay can be used as an in vitro model to test drugs or antibodies against the parasite after transmission. The second part of this thesis deals with the role of myosin A for Plasmodium gliding motility. Using a reverse genetic approach, I could demonstrate the importance of amino acids within the unusual N-terminal extension of myosin A for maximum speed of sporozoites in vitro. I found that phosphorylation of one of these residues is required for efficient salivary gland invasion of sporozoites in vivo. These results show for the first time, how modulation of motor properties by post-translational modification of myosin A could regulate parasite motility to allow for successful transmission from mosquito vector to mammalian host.

Translation of abstract (German)

Die Zellbewegung der Malariaerreger, Parasiten der Gattung Plasmodium, wird von einem Aktomyosin Motor angetrieben. Diese substrat-abhängige Art der gleitenden Fortbewegung ist an mehreren Stellen des komplexen Lebenszyklus wichtig, damit die Parasiten Gewebe durchqueren und in Wirtszellen eindringen können. Der Motorkomplex befindet sich unter der Plasmamembran und besteht aus verankerten Myosin A Proteinen, die Kräfte auf Aktinfilamente ausüben, welche durch Transmembranproteine auf ein Substrat übertragen werden können. Wie die Umgebung die Parasitenbewegung beeinflusst ist noch nicht vollständig bekannt. Zudem ist nicht klar, wie die Anpassung des Aktomyosin Motors eine Stadien-spezifische Regulierung der Zellbewegung ermöglichen könnte. Im ersten Teil dieser Arbeit zeige ich anhand von Polyacrylamid Hydrogelen, wie Substrat Elastizität, eine eingeengte Zellumgebung und Porengröße die Fortbewegung der Parasiten beeinflussen. Die Malariaerreger konnten sich auf ebenen weichen Substraten nicht kontinuierlich bewegen, während die Bewegung mit steigender Steiffigkeit des Substrats zunahm. In einer eingeengten Umgebung bewegten sich die Parasiten jedoch stabil fort, auch wenn diese extrem weich war. Plasmodium Sporozoiten, die Stadien welche durch eine Stechmücke in die Dermis übertragen werden, konnten sich durch enge Poren des Polyacrylamid Hydrogels hindurch drücken. Dieses experimentelle System kann dazu dienen, Wirkstoffe oder Antikörper gegen die Parasiten nach der Übertragung zu testen. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Funktion von Myosin A bei der gleitenden Fortbewegung der Plasmodien. Mithilfe eines genetischen Ansatzes konnte ich die Rolle spezifischer Aminosäuren innerhalb der ungewöhnlichen N-terminalen Erweiterung von Myosin A für die maximale Geschwindigkeit von Sporozoiten in vitro zeigen. Ich fand heraus, dass die Phosphorylierung einer dieser Aminosäuren für ein effizientes Eindringen der Sporozoiten in die Speicheldr¨usen in vivo nötig ist. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, wie die Anpassung der Motoreigenschaften durch Posttranslationale Modifikation von Myosin A die Parasitenbewegung regulieren könnte.