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Theodor Hiepe (1929-2022) was an outstanding researcher, a world-renowned scientist, a dedicated teacher and a great mentor. During his scientific career, which spanned over 60 years, he made major contributions to many different fields of parasitology. With the passing of Dr. h.c. mult. Theodor Hiepe in September 2022 the scientific community suffered a great loss., Peer Reviewed

Theodor Hiepe (1929-2022) was an outstanding researcher, a world-renowned scientist, a dedicated teacher and a great mentor. During his scientific career, which spanned over 60 years, he made major contributions to many different fields of parasitology. With the passing of Dr. h.c. mult. Theodor Hiepe in September 2022 the scientific community suffered a great loss., Peer Reviewed

Successful asexual reproduction of intracellular pathogens depends on their potential to exploit host resources and subvert antimicrobial defense. In this work, we deployed two prevalent apicomplexan parasites of mammalian cells, namely Toxoplasma gondii and Eimeria falciformis, to identify potential host determinants of infection. Expression analyses of the young adult mouse colonic (YAMC) epithelial cells upon infection by either parasite showed regulation of several distinct transcripts, indicating that these two pathogens program their intracellular niches in a tailored manner. Conversely, parasitized mouse embryonic fibroblasts (MEFs) displayed a divergent transcriptome compared to corresponding YAMC epithelial cells, suggesting that individual host cells mount a fairly discrete response when encountering a particular pathogen. Among several host transcripts similarly altered by T. gondii and E. falciformis, we identified cFos, a master transcription factor, that was consistently induced throughout the infection. Indeed, asexual growth of both parasites was strongly impaired in MEF host cells lacking cFos expression. Last but not the least, our differential transcriptomics of the infected MEFs (parental and cFos-/- mutant) and YAMC epithelial cells disclosed a cFos-centered network, underlying signal cascades, as well as a repertoire of nucleotides- and ion-binding proteins, which presumably act in consort to acclimatize the mammalian cell and thereby facilitate the parasite development., Peer Reviewed

This article was supported by the German Research Foundation (DFG) and the Open Access Publication Fund of Humboldt-Universität zu Berlin., Successful asexual reproduction of intracellular pathogens depends on their potential to exploit host resources and subvert antimicrobial defense. In this work, we deployed two prevalent apicomplexan parasites of mammalian cells, namely Toxoplasma gondii and Eimeria falciformis, to identify potential host determinants of infection. Expression analyses of the young adult mouse colonic (YAMC) epithelial cells upon infection by either parasite showed regulation of several distinct transcripts, indicating that these two pathogens program their intracellular niches in a tailored manner. Conversely, parasitized mouse embryonic fibroblasts (MEFs) displayed a divergent transcriptome compared to corresponding YAMC epithelial cells, suggesting that individual host cells mount a fairly discrete response when encountering a particular pathogen. Among several host transcripts similarly altered by T. gondii and E. falciformis, we identified cFos, a master transcription factor, that was consistently induced throughout the infection. Indeed, asexual growth of both parasites was strongly impaired in MEF host cells lacking cFos expression. Last but not the least, our differential transcriptomics of the infected MEFs (parental and cFos-/- mutant) and YAMC epithelial cells disclosed a cFos-centered network, underlying signal cascades, as well as a repertoire of nucleotides- and ion-binding proteins, which presumably act in consort to acclimatize the mammalian cell and thereby facilitate the parasite development., Peer Reviewed

Der cGMP-Signalweg ist als einer der Hauptregulatoren von diversen Funktionen in Eukaryoten bekannt; allerdings ist seine Funktionsweise in Protozoen wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Guanylatcyclase, gekoppelt mit N-terminalen P4-ATPase, in intrazellulären Parasiten Toxoplasma gondii gemeldet. Eine in silico-Analyse wies auf eine Aktivierung der Guanylatcyclase durch Heterodimerisierung ihrer Cyclasedomänen hin und ermöglichte wertvolle Einsichten in mögliche Funktionen ihrer ATPase-Domäne. Dieses Protein (477-kDa) bezeichnet als TgATPaseP-GC in dieser Studie, lokalisiert in der Plasmamembran am apikalen Pol des Parasiten. TgATPaseP-GC ist unempfänglich gegenüber genetischer Deletion und seine CRISPR/Cas9 unterstützte Spaltung beendet den lytischen Zyklus von T. gondii vorzeitig. Darüber hinaus reduzierte ein Cre/loxP-vermittelter Knockdown von TgATPaseP-GC die Synthese von cGMP im Tachyzoiten und inhibierte das Parasitenwachstum aufgrund von Beeinträchtigungen Motilitäts-abhängiger Prozesse des Austretens und Eindringens. Trotz seiner zeitlich beschränkten Funktion ist TgATPaseP-GC konstitutiv während des ganzen lytischen Zyklus exprimiert, welches eine post-translationale Regulierung des cGMP-Signalweges bedingt. Nicht zuletzt impliziert das Vorhandensein von TgATPaseP-GC-Orthologen in anderen Alveolata eine divergente Umfunktionierung der cGMP-Signalwege in Protozoen. Darüber hinaus wurde ein optogenetischer Ansatz verwendet, um den cGMP-Weg durch eine photo-aktivierte Rhodopsin-Guanylat-Cyclase (RhoGC) in T. gondii zu exprimiert. Dieses System erlaubte eine kontrollierte Erhöhung von cGMP durch Licht in einer schnellen und reversiblen Weise. Die Anregung von RhoGC stimulierte signifikant die Parasitenmotilität, deren Auswirkung auch mit erhöhten Eindringen und Austreten überwacht wurde; im Gegensatz zum genetischen Knockdown von TgATPaseP-GC. Das System ermöglicht die Vermittler des cGMP-Signalwegs durch Phosphoproteomics zu identifizieren., cGMP signaling is known as one of the master regulators of diverse functions in eukaryotes; however, its architecture and functioning in protozoans remain poorly understood. In the scope of this thesis, an exclusive guanylate cyclase coupled with N-terminal P4-ATPase was reported in an obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii. In silico analysis indicated an activation of the guanylate cyclase by heterodimerization of its two cyclase domains and offered valuable insights into possible functions of its ATPase domain. This bulky protein (477-kDa), termed in this study as TgATPaseP-GC to reflect its envisaged multifunctionality, localizes in the plasma membrane at the apical pole of the parasite. TgATPaseP-GC is refractory to genetic deletion, and its CRISPR/Cas9-assisted disruption aborts the lytic cycle of T. gondii. Besides, Cre/loxP-mediated knockdown of TgATPaseP-GC reduced the synthesis of cGMP in tachyzoites and inhibited the parasite growth due to impairments of motility-dependent egress and invasion events. Notably, despite its temporally restricted function, TgATPaseP-GC is expressed constitutively throughout the lytic cycle, entailing a post-translational regulation of cGMP signaling. Not least, the occurrence of TgATPaseP-GC orthologs in several other alveolates implies a divergent functional repurposing of cGMP signaling in protozoans. Furthermore, an optogenetic approach was utilized to induce cGMP pathway by a photo-activated rhodopsin-guanylate cyclase (RhoGC) in T. gondii. The system enabled a light-control of cGMP elevation on crucial steps of lytic cycle in a fast, spatial and reversible manner. Excitation of RhoGC significantly stimulated the parasite motility of which impact was also monitored with an increased host-cell invasion and egress; as opposed to the genetic knockdown of TgATPaseP-GC. Having an established optogenetic system in the parasite allows to identify downstream targets of cGMP signaling via phosphoproteomic analysis.

Der cGMP-Signalweg ist als einer der Hauptregulatoren von diversen Funktionen in Eukaryoten bekannt; allerdings ist seine Funktionsweise in Protozoen wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Guanylatcyclase, gekoppelt mit N-terminalen P4-ATPase, in intrazellulären Parasiten Toxoplasma gondii gemeldet. Eine in silico-Analyse wies auf eine Aktivierung der Guanylatcyclase durch Heterodimerisierung ihrer Cyclasedomänen hin und ermöglichte wertvolle Einsichten in mögliche Funktionen ihrer ATPase-Domäne. Dieses Protein (477-kDa) bezeichnet als TgATPaseP-GC in dieser Studie, lokalisiert in der Plasmamembran am apikalen Pol des Parasiten. TgATPaseP-GC ist unempfänglich gegenüber genetischer Deletion und seine CRISPR/Cas9 unterstützte Spaltung beendet den lytischen Zyklus von T. gondii vorzeitig. Darüber hinaus reduzierte ein Cre/loxP-vermittelter Knockdown von TgATPaseP-GC die Synthese von cGMP im Tachyzoiten und inhibierte das Parasitenwachstum aufgrund von Beeinträchtigungen Motilitäts-abhängiger Prozesse des Austretens und Eindringens. Trotz seiner zeitlich beschränkten Funktion ist TgATPaseP-GC konstitutiv während des ganzen lytischen Zyklus exprimiert, welches eine post-translationale Regulierung des cGMP-Signalweges bedingt. Nicht zuletzt impliziert das Vorhandensein von TgATPaseP-GC-Orthologen in anderen Alveolata eine divergente Umfunktionierung der cGMP-Signalwege in Protozoen. Darüber hinaus wurde ein optogenetischer Ansatz verwendet, um den cGMP-Weg durch eine photo-aktivierte Rhodopsin-Guanylat-Cyclase (RhoGC) in T. gondii zu exprimiert. Dieses System erlaubte eine kontrollierte Erhöhung von cGMP durch Licht in einer schnellen und reversiblen Weise. Die Anregung von RhoGC stimulierte signifikant die Parasitenmotilität, deren Auswirkung auch mit erhöhten Eindringen und Austreten überwacht wurde; im Gegensatz zum genetischen Knockdown von TgATPaseP-GC. Das System ermöglicht die Vermittler des cGMP-Signalwegs durch Phosphoproteomics zu identifizieren., cGMP signaling is known as one of the master regulators of diverse functions in eukaryotes; however, its architecture and functioning in protozoans remain poorly understood. In the scope of this thesis, an exclusive guanylate cyclase coupled with N-terminal P4-ATPase was reported in an obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii. In silico analysis indicated an activation of the guanylate cyclase by heterodimerization of its two cyclase domains and offered valuable insights into possible functions of its ATPase domain. This bulky protein (477-kDa), termed in this study as TgATPaseP-GC to reflect its envisaged multifunctionality, localizes in the plasma membrane at the apical pole of the parasite. TgATPaseP-GC is refractory to genetic deletion, and its CRISPR/Cas9-assisted disruption aborts the lytic cycle of T. gondii. Besides, Cre/loxP-mediated knockdown of TgATPaseP-GC reduced the synthesis of cGMP in tachyzoites and inhibited the parasite growth due to impairments of motility-dependent egress and invasion events. Notably, despite its temporally restricted function, TgATPaseP-GC is expressed constitutively throughout the lytic cycle, entailing a post-translational regulation of cGMP signaling. Not least, the occurrence of TgATPaseP-GC orthologs in several other alveolates implies a divergent functional repurposing of cGMP signaling in protozoans. Furthermore, an optogenetic approach was utilized to induce cGMP pathway by a photo-activated rhodopsin-guanylate cyclase (RhoGC) in T. gondii. The system enabled a light-control of cGMP elevation on crucial steps of lytic cycle in a fast, spatial and reversible manner. Excitation of RhoGC significantly stimulated the parasite motility of which impact was also monitored with an increased host-cell invasion and egress; as opposed to the genetic knockdown of TgATPaseP-GC. Having an established optogenetic system in the parasite allows to identify downstream targets of cGMP signaling via phosphoproteomic analysis.

Das zu den Protozoen gehörende Phylum der Apicomplexa umfasst nahezu 6000 Parasitenarten. Die meisten Apicomplexa haben sich an eine obligat intrazelluläre Lebensweise angepasst und infizieren verschiedenste Tiere und den Menschen. Zu den bedeutendsten Vertretern der Apicomplexa zählen Toxoplasma, Plasmodium und Eimeria. In dieser Arbeit lag der Schwerpunkt auf den drei repräsentativen Organismen Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis und Plasmodium berghei, welche sich alle in einem etablierten Wirt (der Maus) reproduzieren, sich allerdings hinsichtlich ihrer Wirtszellen, Persistenz sowie in ihrem Reproduktionsverhalten deutlich unterscheiden. Somit ermöglichen die genannten Parasiten eine umfassende Untersuchung der Biologie der Apicomplexa. Die meisten Entwicklungsstufen dieser Pathogene sind sehr eng mit der Wirtszelle assoziiert, was auch metabolische Wechselwirkungen beinhaltet. Das Verständnis dieser Interaktionen ist unerlässlich, um die Evolution von Parasiten zu ergründen. Grundsätzlich war das Ziel dieser Arbeit, die metabolischen Netzwerke der genannten Parasiten zu eruieren und den Einfluss des Metabolismus auf Wachstum, Pathogenese und Adaption in verschiedenen Nährstoffumgebungen zu untersuchen. Unsere Vorgehensweise verband biochemische, revers-genetische, zellbiologische und optogenetische Bottom-Up-Methoden mit Top-Down-Methoden wie Lipidomics, Metabolomics und Transcriptomics um folgende Prämissen anzugehen: • Vergleichender Entwurf der metabolischen Netzwerke in den obengenannten Parasiten • Nährstoff-Plastizität für die Überlebensfähigkeit des Parasiten in verschiedenen Milieus • Umregulierung oder Ausbeutung des Wirtsmetabolismus durch intrazelluläre Parasiten • Stadien-spezifische Regulation des Metabolismus während der asexuellen Reproduktion • Identifizierung und Validierung potentieller anti-parasitischer Wirkstoffe, The protozoan phylum apicomplexa comprises nearly 6000 parasitic species. Most apicomplexans have adapted to obligate intracellular parasitism in a wide range of organisms, including animals and humans. Some notable members of the phylum include Toxoplasma, Plasmodium and Eimeria species. This study focused on three representative parasites, namely Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis and Plasmodium berghei, all of which infect a common and well-established model host organism (i.e. mouse), but have diverged from each other considerably with respect to the target host cells, persistence and reproduction behavior. These parasites together therefore enable a fairly inclusive study of the apicomplexan biology. Most developmental stages of these pathogens intimately associate with host cells, involving a metabolic crosstalk between the two entwined entities. A germane understanding of such interactions is vital to appreciate the evolution of parasites. In a nutshell, this work aimed to determine the design of metabolic networks in indicated parasites and the impact of metabolism on growth, pathogenesis and adaptation in discrete nutritional milieus. Our approach blended bottom-up methods of biochemistry, reverse genetics, cell biology and optogenetics with the top-down lipidomics, metabolomics and transcriptomics to address the following major premises: • Comparative design of the selected metabolic networks in aforementioned parasites • Nutritional plasticity underlying the parasite survival in variable environments • Subversion or exploitation of host metabolism by intracellular parasites • Stage-specific rewiring of parasite metabolism during asexual reproduction • Identification and endorsement of potential anti-parasitic drug targets

Toxoplasmose ist weltweit eine der am häufigsten auftretenden parasitären Zoonosen mit einer geschätzten Infektionsrate von über 30%. Toxoplasma gondii (Phylum: Apicomplexa) besitzt ein Plastid ähnliches Organell, den Apicoplasten. In diesem befindet sich das einzig bekannte Redoxsystem, welches aus der Ferredoxin-NADP+-Reduktase und Ferredoxin (Fd) besteht. Fd als Elektonendonator liefert Elektronen an verschiedene essentielle Stoffwechselwege, wie der Isoprenoidvorstufen- und Liponsäuresynthese. Um die bei einem Elektronentransfer benötigte direkte Protein-Protein-Interaktion eingehend zu analysieren, wurde ein bakterielles Reverse Two Hybrid System verwendet, womit die Interaktion von TgFd und TgLipA gezeigt werden konnte. Da angenommen wird, dass Fd eine zentrale Rolle in verschiedenen Stoffwechselwegen übernimmt, ist für einen Fd Knockout ein komplexer biochemischer Phänotyp zu erwarten, der möglicherweise zum Absterben der Parasiten führt. Zur Untersuchung dessen wurden zwei komplementäre Wege verfolgt. Eine der Strategien basierte auf dem grundsätzlichen Nachweis, dass Fd unerlässlich für das Überleben von T. gondii ist. Mit Hilfe des DiCre Systems sollte ein definierter genetischer Fd Knockout hergestellt werden, welcher jedoch nicht zweifelsfrei generiert werden konnte. Bei der zweiten Strategie kam ein konditionales Knockdown System zur Anwendung, bei welchem die Expression des Fd Gens nach Induktion herabreguliert wird. Mit Hilfe dessen konnten weitreichende Auswirkungen der Fd Defizienz auf T. gondii gezeigt werden: die Fettsäuresynthese der im Apicoplasten synthetisierten Fettsäuren ist reduziert sowie die Motilität durch eine beeinträchtigte Isoprenoidsynthese verringert, wodurch insgesamt drastische Auswirkungen auf das Parasitenwachstum gezeigt werden konnten. Beide Stoffwechsel sind vom Elektronendonator Fd abhängig und durch die Fd Herabregulation betroffen. Die Ergebnisse unterstreichen die essentielle Rolle des Fd-Redoxsystems von T. gondii., Toxoplasmosis is one of the most common parasitic zoonoses world-wide, around 30% of human beings are infected. Toxoplasma gondii (phylum: Apicomplexa) contains a unique intracellular organelle derived from plastids, called apicoplast. The only known redox system in the apicoplast consists of the ferredoxin NADP+-reductase and its redox partner, ferredoxin (Fd). The latter donates electrons to different essential metabolic pathways in the apicoplast like the last two enzymes of the isoprenoid precursor biosynthesis and the lipoic acid synthesis. To dissect protein protein interactions for an electron transfer a bacterial reverse two hybrid system was used. The physical interaction of both proteins TgFd and TgLipA could be shown. Fd is supposed to play an important role in diverse metabolic pathways, hence a knock-out of the Fd gene is expected to generate a complex biochemical phenotype and be lethal to the parasite. Therefore two complementary approaches were used to analyze the role of TgFd in this context. The first strategy shall verify the essentiality of TgFd for the survival of T. gondii. It is based on the DiCre system whereby a defined genetic knock out of TgFd is produced. Respectives parasites have been generated, but at the end no genetic Fd knock out could be produced. In the second approach a conditional knock-down was generated, where the expression of the TgFd gene is repressed after induction. The Fd deficiency has wide ranging effects on T. gondii: The fatty acid synthesis of the apicoplast-synthesized fatty acids is reduced as well as the motility is decreased due to an affected isoprenoid synthesis. In total this leads to a dramatic inhibition of parasite growth. Both metabolic pathways depend upon the electron carrier Fd and thus are affected by Fd deficiency. The results underline the essential role of the ferredoxin redoxsystem of T. gondii.

Toxoplasmose ist weltweit eine der am häufigsten auftretenden parasitären Zoonosen mit einer geschätzten Infektionsrate von über 30%. Toxoplasma gondii (Phylum: Apicomplexa) besitzt ein Plastid ähnliches Organell, den Apicoplasten. In diesem befindet sich das einzig bekannte Redoxsystem, welches aus der Ferredoxin-NADP+-Reduktase und Ferredoxin (Fd) besteht. Fd als Elektonendonator liefert Elektronen an verschiedene essentielle Stoffwechselwege, wie der Isoprenoidvorstufen- und Liponsäuresynthese. Um die bei einem Elektronentransfer benötigte direkte Protein-Protein-Interaktion eingehend zu analysieren, wurde ein bakterielles Reverse Two Hybrid System verwendet, womit die Interaktion von TgFd und TgLipA gezeigt werden konnte. Da angenommen wird, dass Fd eine zentrale Rolle in verschiedenen Stoffwechselwegen übernimmt, ist für einen Fd Knockout ein komplexer biochemischer Phänotyp zu erwarten, der möglicherweise zum Absterben der Parasiten führt. Zur Untersuchung dessen wurden zwei komplementäre Wege verfolgt. Eine der Strategien basierte auf dem grundsätzlichen Nachweis, dass Fd unerlässlich für das Überleben von T. gondii ist. Mit Hilfe des DiCre Systems sollte ein definierter genetischer Fd Knockout hergestellt werden, welcher jedoch nicht zweifelsfrei generiert werden konnte. Bei der zweiten Strategie kam ein konditionales Knockdown System zur Anwendung, bei welchem die Expression des Fd Gens nach Induktion herabreguliert wird. Mit Hilfe dessen konnten weitreichende Auswirkungen der Fd Defizienz auf T. gondii gezeigt werden: die Fettsäuresynthese der im Apicoplasten synthetisierten Fettsäuren ist reduziert sowie die Motilität durch eine beeinträchtigte Isoprenoidsynthese verringert, wodurch insgesamt drastische Auswirkungen auf das Parasitenwachstum gezeigt werden konnten. Beide Stoffwechsel sind vom Elektronendonator Fd abhängig und durch die Fd Herabregulation betroffen. Die Ergebnisse unterstreichen die essentielle Rolle des Fd-Redoxsystems von T. gondii., Toxoplasmosis is one of the most common parasitic zoonoses world-wide, around 30% of human beings are infected. Toxoplasma gondii (phylum: Apicomplexa) contains a unique intracellular organelle derived from plastids, called apicoplast. The only known redox system in the apicoplast consists of the ferredoxin NADP+-reductase and its redox partner, ferredoxin (Fd). The latter donates electrons to different essential metabolic pathways in the apicoplast like the last two enzymes of the isoprenoid precursor biosynthesis and the lipoic acid synthesis. To dissect protein protein interactions for an electron transfer a bacterial reverse two hybrid system was used. The physical interaction of both proteins TgFd and TgLipA could be shown. Fd is supposed to play an important role in diverse metabolic pathways, hence a knock-out of the Fd gene is expected to generate a complex biochemical phenotype and be lethal to the parasite. Therefore two complementary approaches were used to analyze the role of TgFd in this context. The first strategy shall verify the essentiality of TgFd for the survival of T. gondii. It is based on the DiCre system whereby a defined genetic knock out of TgFd is produced. Respectives parasites have been generated, but at the end no genetic Fd knock out could be produced. In the second approach a conditional knock-down was generated, where the expression of the TgFd gene is repressed after induction. The Fd deficiency has wide ranging effects on T. gondii: The fatty acid synthesis of the apicoplast-synthesized fatty acids is reduced as well as the motility is decreased due to an affected isoprenoid synthesis. In total this leads to a dramatic inhibition of parasite growth. Both metabolic pathways depend upon the electron carrier Fd and thus are affected by Fd deficiency. The results underline the essential role of the ferredoxin redoxsystem of T. gondii.

Das zu den Protozoen gehörende Phylum der Apicomplexa umfasst nahezu 6000 Parasitenarten. Die meisten Apicomplexa haben sich an eine obligat intrazelluläre Lebensweise angepasst und infizieren verschiedenste Tiere und den Menschen. Zu den bedeutendsten Vertretern der Apicomplexa zählen Toxoplasma, Plasmodium und Eimeria. In dieser Arbeit lag der Schwerpunkt auf den drei repräsentativen Organismen Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis und Plasmodium berghei, welche sich alle in einem etablierten Wirt (der Maus) reproduzieren, sich allerdings hinsichtlich ihrer Wirtszellen, Persistenz sowie in ihrem Reproduktionsverhalten deutlich unterscheiden. Somit ermöglichen die genannten Parasiten eine umfassende Untersuchung der Biologie der Apicomplexa. Die meisten Entwicklungsstufen dieser Pathogene sind sehr eng mit der Wirtszelle assoziiert, was auch metabolische Wechselwirkungen beinhaltet. Das Verständnis dieser Interaktionen ist unerlässlich, um die Evolution von Parasiten zu ergründen. Grundsätzlich war das Ziel dieser Arbeit, die metabolischen Netzwerke der genannten Parasiten zu eruieren und den Einfluss des Metabolismus auf Wachstum, Pathogenese und Adaption in verschiedenen Nährstoffumgebungen zu untersuchen. Unsere Vorgehensweise verband biochemische, revers-genetische, zellbiologische und optogenetische Bottom-Up-Methoden mit Top-Down-Methoden wie Lipidomics, Metabolomics und Transcriptomics um folgende Prämissen anzugehen: • Vergleichender Entwurf der metabolischen Netzwerke in den obengenannten Parasiten • Nährstoff-Plastizität für die Überlebensfähigkeit des Parasiten in verschiedenen Milieus • Umregulierung oder Ausbeutung des Wirtsmetabolismus durch intrazelluläre Parasiten • Stadien-spezifische Regulation des Metabolismus während der asexuellen Reproduktion • Identifizierung und Validierung potentieller anti-parasitischer Wirkstoffe, The protozoan phylum apicomplexa comprises nearly 6000 parasitic species. Most apicomplexans have adapted to obligate intracellular parasitism in a wide range of organisms, including animals and humans. Some notable members of the phylum include Toxoplasma, Plasmodium and Eimeria species. This study focused on three representative parasites, namely Toxoplasma gondii, Eimeria falciformis and Plasmodium berghei, all of which infect a common and well-established model host organism (i.e. mouse), but have diverged from each other considerably with respect to the target host cells, persistence and reproduction behavior. These parasites together therefore enable a fairly inclusive study of the apicomplexan biology. Most developmental stages of these pathogens intimately associate with host cells, involving a metabolic crosstalk between the two entwined entities. A germane understanding of such interactions is vital to appreciate the evolution of parasites. In a nutshell, this work aimed to determine the design of metabolic networks in indicated parasites and the impact of metabolism on growth, pathogenesis and adaptation in discrete nutritional milieus. Our approach blended bottom-up methods of biochemistry, reverse genetics, cell biology and optogenetics with the top-down lipidomics, metabolomics and transcriptomics to address the following major premises: • Comparative design of the selected metabolic networks in aforementioned parasites • Nutritional plasticity underlying the parasite survival in variable environments • Subversion or exploitation of host metabolism by intracellular parasites • Stage-specific rewiring of parasite metabolism during asexual reproduction • Identification and endorsement of potential anti-parasitic drug targets

Toxoplasmose ist weltweit eine der am häufigsten auftretenden parasitären Zoonosen mit einer geschätzten Infektionsrate von über 30%. Toxoplasma gondii (Phylum: Apicomplexa) besitzt ein Plastid ähnliches Organell, den Apicoplasten. In diesem befindet sich das einzig bekannte Redoxsystem, welches aus der Ferredoxin-NADP+-Reduktase und Ferredoxin (Fd) besteht. Fd als Elektonendonator liefert Elektronen an verschiedene essentielle Stoffwechselwege, wie der Isoprenoidvorstufen- und Liponsäuresynthese. Um die bei einem Elektronentransfer benötigte direkte Protein-Protein-Interaktion eingehend zu analysieren, wurde ein bakterielles Reverse Two Hybrid System verwendet, womit die Interaktion von TgFd und TgLipA gezeigt werden konnte. Da angenommen wird, dass Fd eine zentrale Rolle in verschiedenen Stoffwechselwegen übernimmt, ist für einen Fd Knockout ein komplexer biochemischer Phänotyp zu erwarten, der möglicherweise zum Absterben der Parasiten führt. Zur Untersuchung dessen wurden zwei komplementäre Wege verfolgt. Eine der Strategien basierte auf dem grundsätzlichen Nachweis, dass Fd unerlässlich für das Überleben von T. gondii ist. Mit Hilfe des DiCre Systems sollte ein definierter genetischer Fd Knockout hergestellt werden, welcher jedoch nicht zweifelsfrei generiert werden konnte. Bei der zweiten Strategie kam ein konditionales Knockdown System zur Anwendung, bei welchem die Expression des Fd Gens nach Induktion herabreguliert wird. Mit Hilfe dessen konnten weitreichende Auswirkungen der Fd Defizienz auf T. gondii gezeigt werden: die Fettsäuresynthese der im Apicoplasten synthetisierten Fettsäuren ist reduziert sowie die Motilität durch eine beeinträchtigte Isoprenoidsynthese verringert, wodurch insgesamt drastische Auswirkungen auf das Parasitenwachstum gezeigt werden konnten. Beide Stoffwechsel sind vom Elektronendonator Fd abhängig und durch die Fd Herabregulation betroffen. Die Ergebnisse unterstreichen die essentielle Rolle des Fd-Redoxsystems von T. gondii., Toxoplasmosis is one of the most common parasitic zoonoses world-wide, around 30% of human beings are infected. Toxoplasma gondii (phylum: Apicomplexa) contains a unique intracellular organelle derived from plastids, called apicoplast. The only known redox system in the apicoplast consists of the ferredoxin NADP+-reductase and its redox partner, ferredoxin (Fd). The latter donates electrons to different essential metabolic pathways in the apicoplast like the last two enzymes of the isoprenoid precursor biosynthesis and the lipoic acid synthesis. To dissect protein protein interactions for an electron transfer a bacterial reverse two hybrid system was used. The physical interaction of both proteins TgFd and TgLipA could be shown. Fd is supposed to play an important role in diverse metabolic pathways, hence a knock-out of the Fd gene is expected to generate a complex biochemical phenotype and be lethal to the parasite. Therefore two complementary approaches were used to analyze the role of TgFd in this context. The first strategy shall verify the essentiality of TgFd for the survival of T. gondii. It is based on the DiCre system whereby a defined genetic knock out of TgFd is produced. Respectives parasites have been generated, but at the end no genetic Fd knock out could be produced. In the second approach a conditional knock-down was generated, where the expression of the TgFd gene is repressed after induction. The Fd deficiency has wide ranging effects on T. gondii: The fatty acid synthesis of the apicoplast-synthesized fatty acids is reduced as well as the motility is decreased due to an affected isoprenoid synthesis. In total this leads to a dramatic inhibition of parasite growth. Both metabolic pathways depend upon the electron carrier Fd and thus are affected by Fd deficiency. The results underline the essential role of the ferredoxin redoxsystem of T. gondii.

Das Überleben und die Vermehrung der parasitär lebenden Apicomplexa setzen eine effiziente Synthese von Phospholipiden während ihres gesamten Lebenszyklus voraus. In dieser Arbeit nutzten wir zunächst Eimeria falciformis um den Prozess der Lipid-Biogenese in Sporozoiten zu untersuchen. Durch Lipidomics-Analysen wurde das Auftreten von zwei exklusiven Lipiden, Phosphatidylthreonin (PtdThr) und Inositolphosphorylceramid. Der Parasit exprimiert fast das gesamte Lipid-Biogenese- Netzwerk aus eukaryotischen und prokaryotischen Enzymen. Toxoplasma gondii diente als genmanipulierbarer Ersatz für die Untersuchung der Eimeria-Enzyme, mit dem wir ein stark räumlich segmentiertes Netzwerk der Lipidsynthese im Apicoplast, ER, Golgi und Mitochondrium zeigen konnten. Ebenso legte die Komplementierung einer T. gondii-Mutante mit einer PtdThr-Synthase von E. falciformis eine konvergente Funktion von PtdThr für den lytischen Zyklus von Kokzidien-Parasiten nahe. Außerdem setzten wir T. gondii als etablierten Modelorganismus ein, um die De- novo-Synthese und die metabolische Rolle eines bedeutenden Lipidvorläufers, CDP- Diacylglycerin (CDP-DAG), zu untersuchen. Wir konnten zwei phylogenetisch divergente CDP-DAG-Synthase (CDS) Enzyme in T. gondii nachweisen. Das eukaryotisch-typische TgCDS1 und das prokaryotisch-typische TgCDS2 lokalisieren im ER bzw. im Apicoplast. Der konditionierte Knockdown von TgCDS1 bremst das Parasitenwachstum stark ab, was den fast vollständigen Verlust der Virulenz im Mausmodell hervorruft. Das restliche marginale Wachstum der TgCDS1 Mutante wird durch zusätzliche Deletion der TgCDS2 verhindert. Lipidomics-Analysen zeigten eine signifikante und spezifische Abnahme der Phosphatidylinositol (PtdIns)- und Phosphatidylglycerol (PtdGro)-Level bei Verlust der TgCDS1- bzw. TgCDS2-Gene. Zusammengenommen zeigt unsere Arbeit ein Phospholipid-Biogenese-Modell mit erstaunlicher Kooperation verschiedener Organellen und einem extensiven Lipidtransport im Parasiten., The survival and proliferation of apicomplexan parasites oblige efficient synthesis of phospholipids throughout their life cycles. Here, we first deployed Eimeria falciformis to investigate the process of lipid biogenesis in sporozoites. Lipidomics analyses demonstrate the occurrence of two exclusive lipids phosphatidylthreonine (PtdThr) and inositol phosphorylceramide along with other prototypical lipids. The parasite expresses nearly the entire lipid biogenesis network, which is an evolutionary mosaic of eukaryotic- and prokaryotic-type enzymes. Using Toxoplasma gondii as a gene- tractable surrogate to examine the Eimeria enzymes, we show a highly compartmentalized network of lipid synthesis distributed primarily in the apicoplast, ER, Golgi and mitochondrion. Likewise, trans-species complementation of a T. gondii mutant with a PtdThr synthase from E. falciformis suggests a convergent function of PtdThr in promoting the lytic cycle in coccidian parasites. We also employed the well-established model parasite T. gondii to explore de novo synthesis and metabolic roles of one major lipid precursor CDP-diacylglycerol (CDP- DAG). We report the occurrence of two phylogenetically divergent CDP-DAG synthase (CDS) enzymes in T. gondii. Eukaryotic-type TgCDS1 and prokaryotic-type TgCDS2 reside in the ER and apicoplast, respectively. Conditional knockdown of TgCDS1 severely attenuates parasite growth, which translates into a nearly complete loss of virulence in a mouse model. Residual growth of the TgCDS1 mutant is abolished by subsequent deletion of TgCDS2. Lipidomics analyses reveal significant and specific decline in phosphatidylinositol (PtdIns) and phosphatidylglycerol (PtdGro) upon loss of TgCDS1 and TgCDS2, respectively. Taken together, our work establishes a phospholipid biogenesis model involving significant inter-organelle cooperation and lipid trafficking in apicomplexan parasites.

Erreger des Leishmania donovani Komplexes (LDC) verursachen viszerale Leishmaniose (VL), eine der häufigsten durch Sandmücken übertragenen Infektionskrankheiten beim Menschen. Die vorliegende von der EU geförderte Dissertation untersucht die weltweite Populationsstruktur des LDC mit besonderem Schwerpunkt auf dem Indischen Subkontinent (ISC), wo das gehäufte Auftreten von Therapieversagen ein Problem für die geplante Eliminierung von VL darstellt. Zwei hoch diskriminierende molekulare Typisierungsverfahren wurden angewendet. 845 LDC-Isolate wurden mittels Multi-Lokus-Mikrosatelliten-Typisierung (MLMT) charakterisiert. Die Parasiten wurden in Gebieten mit endemischer VL aus unterschiedlichen Wirten isoliert und repräsentieren verschiedene klinische Formen der Leishmaniose. Eine 125 Parasiten umfassende Teilprobe wurde vollständig sequenziert und in einem next-generation Multi-Lokus-Sequenz-Ansatz (ng-MLSA) typisiert, welcher auf der Analyse von genomweiten Single-Nukleotid-Polymorphismen (SNP) beruht. Sowohl die MLMT- als auch die SNP-Daten wurden mit den gleichen populationsgenetischen Methoden ausgewertet. Der ng-MLSA Ansatz bestätigte weitgehend die Populationsstrukturen des mit dem MLMT analysierten größeren Datensatzes, die genetische Struktur korrelierte mit der geographischen Herkunft der Isolate. Die Unempfänglichkeit der Parasiten gegenüber Antimon- oder Miltefosin sowie die in vitro gemessene Resistenz der Isolate vom ISC konnten nicht auf einen spezifischen Genotyp zurückgeführt oder mit einem spezifischen genetischen Merkmal verknüpft werden. Die Gesamtgenomsequenzierung konnte bisher keine Mutationen im Parasitengenom nachweisen, die in Zusammenhang mit der Antimon- und Miltefosin-Unempfindlichkeit bzw. dem Therapieversagen gebracht werden könnten. Analysen basierend auf ausgewählten Sequenzen deuten auf eine variable chromosomale Ploidie und eine erhöhte Kopienzahl einiger Gene hin, die zur Entstehung von Arzneimittelresistenzen beitragen könnten., Parasites of the Leishmania donovani species complex (LDC) cause most cases of visceral leishmaniasis (VL), one of the most fatal vector-borne parasitic human diseases. As part of an EU funded project, this dissertation has investigated the worldwide genetic population structure of parasites of the LDC, with special focus on the Indian subcontinent (ISC) where unresponsiveness to anti-leishmanial drugs has recently become an urgent problem for the containment of VL. Two types of highly discriminatory approaches have been used. Multi-locus microsatellite typing (MLMT) has been applied to 845 LDC isolates from numerous Old and New World foci of VL, from different clinical forms of the disease and from various hosts. A subset of 125 fully sequenced isolates, reflecting the worldwide distribution of the LDC, was analysed using a next-generation multi-locus sequence approach (ng-MLSA) including single nucleotide polymorphisms (SNP). Both microsatellite and SNP data sets were analysed using, in general, the same population genetic tools. The ng-MLSA approach has, in general, corroborated the population structures obtained with MLMT for the larger data set. With the exception of non MON-1 parasites, the genetic structure revealed was largely associated with the geographic origin of the isolates, but not with the clinical presentation, host specificity and the immune status of the host or year of parasite isolation. Unresponsiveness to antimony or miltefosine treatment as well as the respective resistances measured in vitro could not be linked to a specific genotype or genetic trait. Wg sequencing also failed, so far, to identify mutations, which could be related to the unresponsiveness of LDC isolates from the ISC to antimony and miltefosine therapy. Analyses of selected targets have revealed extensive variation in chromosomal ploidy in all wg sequenced isolates under study and copy number variations for some genes possibly involved in drug resistance.

Erreger des Leishmania donovani Komplexes (LDC) verursachen viszerale Leishmaniose (VL), eine der häufigsten durch Sandmücken übertragenen Infektionskrankheiten beim Menschen. Die vorliegende von der EU geförderte Dissertation untersucht die weltweite Populationsstruktur des LDC mit besonderem Schwerpunkt auf dem Indischen Subkontinent (ISC), wo das gehäufte Auftreten von Therapieversagen ein Problem für die geplante Eliminierung von VL darstellt. Zwei hoch diskriminierende molekulare Typisierungsverfahren wurden angewendet. 845 LDC-Isolate wurden mittels Multi-Lokus-Mikrosatelliten-Typisierung (MLMT) charakterisiert. Die Parasiten wurden in Gebieten mit endemischer VL aus unterschiedlichen Wirten isoliert und repräsentieren verschiedene klinische Formen der Leishmaniose. Eine 125 Parasiten umfassende Teilprobe wurde vollständig sequenziert und in einem next-generation Multi-Lokus-Sequenz-Ansatz (ng-MLSA) typisiert, welcher auf der Analyse von genomweiten Single-Nukleotid-Polymorphismen (SNP) beruht. Sowohl die MLMT- als auch die SNP-Daten wurden mit den gleichen populationsgenetischen Methoden ausgewertet. Der ng-MLSA Ansatz bestätigte weitgehend die Populationsstrukturen des mit dem MLMT analysierten größeren Datensatzes, die genetische Struktur korrelierte mit der geographischen Herkunft der Isolate. Die Unempfänglichkeit der Parasiten gegenüber Antimon- oder Miltefosin sowie die in vitro gemessene Resistenz der Isolate vom ISC konnten nicht auf einen spezifischen Genotyp zurückgeführt oder mit einem spezifischen genetischen Merkmal verknüpft werden. Die Gesamtgenomsequenzierung konnte bisher keine Mutationen im Parasitengenom nachweisen, die in Zusammenhang mit der Antimon- und Miltefosin-Unempfindlichkeit bzw. dem Therapieversagen gebracht werden könnten. Analysen basierend auf ausgewählten Sequenzen deuten auf eine variable chromosomale Ploidie und eine erhöhte Kopienzahl einiger Gene hin, die zur Entstehung von Arzneimittelresistenzen beitragen könnten., Parasites of the Leishmania donovani species complex (LDC) cause most cases of visceral leishmaniasis (VL), one of the most fatal vector-borne parasitic human diseases. As part of an EU funded project, this dissertation has investigated the worldwide genetic population structure of parasites of the LDC, with special focus on the Indian subcontinent (ISC) where unresponsiveness to anti-leishmanial drugs has recently become an urgent problem for the containment of VL. Two types of highly discriminatory approaches have been used. Multi-locus microsatellite typing (MLMT) has been applied to 845 LDC isolates from numerous Old and New World foci of VL, from different clinical forms of the disease and from various hosts. A subset of 125 fully sequenced isolates, reflecting the worldwide distribution of the LDC, was analysed using a next-generation multi-locus sequence approach (ng-MLSA) including single nucleotide polymorphisms (SNP). Both microsatellite and SNP data sets were analysed using, in general, the same population genetic tools. The ng-MLSA approach has, in general, corroborated the population structures obtained with MLMT for the larger data set. With the exception of non MON-1 parasites, the genetic structure revealed was largely associated with the geographic origin of the isolates, but not with the clinical presentation, host specificity and the immune status of the host or year of parasite isolation. Unresponsiveness to antimony or miltefosine treatment as well as the respective resistances measured in vitro could not be linked to a specific genotype or genetic trait. Wg sequencing also failed, so far, to identify mutations, which could be related to the unresponsiveness of LDC isolates from the ISC to antimony and miltefosine therapy. Analyses of selected targets have revealed extensive variation in chromosomal ploidy in all wg sequenced isolates under study and copy number variations for some genes possibly involved in drug resistance.

Das Überleben und die Vermehrung der parasitär lebenden Apicomplexa setzen eine effiziente Synthese von Phospholipiden während ihres gesamten Lebenszyklus voraus. In dieser Arbeit nutzten wir zunächst Eimeria falciformis um den Prozess der Lipid-Biogenese in Sporozoiten zu untersuchen. Durch Lipidomics-Analysen wurde das Auftreten von zwei exklusiven Lipiden, Phosphatidylthreonin (PtdThr) und Inositolphosphorylceramid. Der Parasit exprimiert fast das gesamte Lipid-Biogenese- Netzwerk aus eukaryotischen und prokaryotischen Enzymen. Toxoplasma gondii diente als genmanipulierbarer Ersatz für die Untersuchung der Eimeria-Enzyme, mit dem wir ein stark räumlich segmentiertes Netzwerk der Lipidsynthese im Apicoplast, ER, Golgi und Mitochondrium zeigen konnten. Ebenso legte die Komplementierung einer T. gondii-Mutante mit einer PtdThr-Synthase von E. falciformis eine konvergente Funktion von PtdThr für den lytischen Zyklus von Kokzidien-Parasiten nahe. Außerdem setzten wir T. gondii als etablierten Modelorganismus ein, um die De- novo-Synthese und die metabolische Rolle eines bedeutenden Lipidvorläufers, CDP- Diacylglycerin (CDP-DAG), zu untersuchen. Wir konnten zwei phylogenetisch divergente CDP-DAG-Synthase (CDS) Enzyme in T. gondii nachweisen. Das eukaryotisch-typische TgCDS1 und das prokaryotisch-typische TgCDS2 lokalisieren im ER bzw. im Apicoplast. Der konditionierte Knockdown von TgCDS1 bremst das Parasitenwachstum stark ab, was den fast vollständigen Verlust der Virulenz im Mausmodell hervorruft. Das restliche marginale Wachstum der TgCDS1 Mutante wird durch zusätzliche Deletion der TgCDS2 verhindert. Lipidomics-Analysen zeigten eine signifikante und spezifische Abnahme der Phosphatidylinositol (PtdIns)- und Phosphatidylglycerol (PtdGro)-Level bei Verlust der TgCDS1- bzw. TgCDS2-Gene. Zusammengenommen zeigt unsere Arbeit ein Phospholipid-Biogenese-Modell mit erstaunlicher Kooperation verschiedener Organellen und einem extensiven Lipidtransport im Parasiten., The survival and proliferation of apicomplexan parasites oblige efficient synthesis of phospholipids throughout their life cycles. Here, we first deployed Eimeria falciformis to investigate the process of lipid biogenesis in sporozoites. Lipidomics analyses demonstrate the occurrence of two exclusive lipids phosphatidylthreonine (PtdThr) and inositol phosphorylceramide along with other prototypical lipids. The parasite expresses nearly the entire lipid biogenesis network, which is an evolutionary mosaic of eukaryotic- and prokaryotic-type enzymes. Using Toxoplasma gondii as a gene- tractable surrogate to examine the Eimeria enzymes, we show a highly compartmentalized network of lipid synthesis distributed primarily in the apicoplast, ER, Golgi and mitochondrion. Likewise, trans-species complementation of a T. gondii mutant with a PtdThr synthase from E. falciformis suggests a convergent function of PtdThr in promoting the lytic cycle in coccidian parasites. We also employed the well-established model parasite T. gondii to explore de novo synthesis and metabolic roles of one major lipid precursor CDP-diacylglycerol (CDP- DAG). We report the occurrence of two phylogenetically divergent CDP-DAG synthase (CDS) enzymes in T. gondii. Eukaryotic-type TgCDS1 and prokaryotic-type TgCDS2 reside in the ER and apicoplast, respectively. Conditional knockdown of TgCDS1 severely attenuates parasite growth, which translates into a nearly complete loss of virulence in a mouse model. Residual growth of the TgCDS1 mutant is abolished by subsequent deletion of TgCDS2. Lipidomics analyses reveal significant and specific decline in phosphatidylinositol (PtdIns) and phosphatidylglycerol (PtdGro) upon loss of TgCDS1 and TgCDS2, respectively. Taken together, our work establishes a phospholipid biogenesis model involving significant inter-organelle cooperation and lipid trafficking in apicomplexan parasites.

Objective: The aim of this study was to examine whether the natural protease inhibitor Av-cystatin (rAv17) of the parasitic nematode Acanthocheilonema viteae exerts anti-inflammatory effects in an in vitro model of lipopolysaccharide (LPS)-activated microglia. Methods: Primary microglia were harvested from the brains of 2-day-old Wistar rats and cultured with or without rAv17 (250 nMmlcap>). After 6 and 24 h the release of nitric oxide (Griess reagent) and TNF-α (ELISA) was measured in the supernatant. Real-time PCR was performed after 2, 6 and 24 h of culture to measure the mRNA expression of IL-1β, IL-6, TNF-α, COX-2, iNOS and IL-10. To address the involved signaling pathways, nuclear NF-ĸB translocation was visualized by immunocytochemistry. Morphological changes of microglia were analyzed by Coomassie blue staining. Differences between groups were calculated using one-way ANOVA with Bonferroni's post hoc test. Results: Morphological analysis indicated that LPS-induced microglial transformation towards an amoeboid morphology is inhibited by rAv17. Av-cystatin caused a time-dependent downregulation of proinflammatory cytokines, iNOS and COX-2 mRNA expression, respectively. This was paralleled by an upregulated expression of IL-10 in resting as well as in LPS-stimulated microglia. Av-cystatin reduced the release of NO and TNF-α in the culture supernatant. Immunocytochemical staining demonstrated an attenuated translocation of NF-ĸB by Av-cystatin in response to LPS. In addition, Western blot analysis revealed a rAv17-dependent reduction of the LPS-induced ERK1/2-pathway activation. Conclusion: The parasite-derived secretion product Av-cystatin inhibits proinflammatory mechanisms of LPS-induced microglia with IL-10, a potential key mediator., Peer Reviewed

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter, obligat-intrazellulärer, einzelliger Parasit, der die lebensbedrohliche Krankheit Toxoplasmose in Menschen und Tieren hervorrufen kann. Der schnell replizierende Parasit benötigt erhebliche Mengen an Phospholipiden zur Biogenese intra- und extrazellulärer Membranen. Phosphatidylethanolamin (PtdEtn) ist ein wichtiges und ubiquitäres Phospholipid in Pro- und Eukaryoten und das zweithäufigste Lipid in T. gondii. Dieses kann de novo über den CDP-Ethanolamin Stoffwechselweg oder durch Decarboxylierung von Phosphatidylserin synthetisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Expression von zwei distinkten Phosphatidylserin Decarboxylasen (PSDs) in T. gondii nachgewiesen werden: TgPSD1pv ist partiell löslich und wird über Dichte Granula in die Parasitophore Vakuole sekretiert, während sich TgPSD1mt im Mitochondrium von Tachyzoiten befindet. TgPSD1mt ist in der Lage einen Ethanolamin-auxotrophen S. cerevisiae Stamm zu komplementieren. Ein Knock-down von TgPSD1mt in T. gondii verursacht eine verlangsamte Parasitenreplikation, welche zu einem verminderten in vitro Wachstum führt. Der PtdEtn-Gehalt in der Mutante bleibt unverändert, was auf eine stringente Homöostase des zellulären PtdEtn Reservoirs durch alternative Lipidbiogenesewege hindeutet. Tatsächlich verfügt T. gondii zusätzlich über einen aktiven CDP-Ethanolamin Stoffwechselweg im Endoplasmatischen Retikulum, welcher den Verlust von TgPSD1mt partiell kompensieren kann. Das zweite, sekretierte TgPSD1pv-Enzym hingegen scheint für das Parasitenwachstum in vitro entbehrlich zu sein. Infektionsversuche mit radioaktiv markierten Wirtszellen zeigten zudem eine Aufnahme von PtdEtn oder PtdEtn-Derivaten in intrazellulär replizierenden Tachyzoiten. Diese Ergebnisse demonstrieren eine außergewöhnliche Kompartmentalisierung und Plastizität der PtdEtn-Synthese in T. gondii., Toxoplasma gondii is a remarkably successful and widespread obligate intracellular protozoan parasite, which can cause the potentially life threatening disease Toxoplasmosis in humans and animals. The fast proliferating parasite requires a significant amount of phospholipids for biogenesis of organelles and enclosing vacuolar membranes. Phosphatidylethanolamine (PtdEtn) is one of the most ubiquitous phospholipids and the second most abundant lipid in T. gondii. It can be produced de novo by the CDP-ethanolamine pathway or by decarboxylation of phosphatidylserine. This work revealed the expression of two distinct PtdSer decarboxylase (PSD) enzymes in T. gondii: One of which is Coccidia-specific and partially soluble and secreted into the parasitophorous vacuole via dense granules (TgPSD1pv), and a second enzyme that localizes in the mitochondrion (TgPSD1mt) of tachyzoites. The mitochondrial PSD can complement a S. cerevisiae mutant auxotrophic for ethanolamine. A conditional knockdown of the TgPSD1mt gene impairs the parasite growth in vitro. Surprisingly, the mutant displayed an unaltered total PtdEtn content, which suggests a stringent homeostasis of the cellular PtdEtn pool by alternative routes of lipid biogenesis. Consistently, the parasite encodes an active CDP-ethanolamine pathway in the endoplasmic reticulum. Metabolic labeling of the TgPSD1mt mutant displayed an increased utilization of ethanolamine into PtdEtn, indicating an upregulation of the de novo CDP-ethanolamine pathway. Likewise, exogenous ethanolamine partially restored the growth phenotype of the mutant. In contrast, the TgPSD1pv enzyme is dispensable for the parasite growth. Host cell pre-labeling with radioactive ethanolamine indicated a potential uptake of host-derived PtdEtn or PtdEtn-derivates by intracellular parasites. Taken together, these results demonstrate an exceptional compartmentalization and plasticity of the PtdEtn synthesis in T. gondii.

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter, obligat-intrazellulärer, einzelliger Parasit, der die lebensbedrohliche Krankheit Toxoplasmose in Menschen und Tieren hervorrufen kann. Der schnell replizierende Parasit benötigt erhebliche Mengen an Phospholipiden zur Biogenese intra- und extrazellulärer Membranen. Phosphatidylethanolamin (PtdEtn) ist ein wichtiges und ubiquitäres Phospholipid in Pro- und Eukaryoten und das zweithäufigste Lipid in T. gondii. Dieses kann de novo über den CDP-Ethanolamin Stoffwechselweg oder durch Decarboxylierung von Phosphatidylserin synthetisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Expression von zwei distinkten Phosphatidylserin Decarboxylasen (PSDs) in T. gondii nachgewiesen werden: TgPSD1pv ist partiell löslich und wird über Dichte Granula in die Parasitophore Vakuole sekretiert, während sich TgPSD1mt im Mitochondrium von Tachyzoiten befindet. TgPSD1mt ist in der Lage einen Ethanolamin-auxotrophen S. cerevisiae Stamm zu komplementieren. Ein Knock-down von TgPSD1mt in T. gondii verursacht eine verlangsamte Parasitenreplikation, welche zu einem verminderten in vitro Wachstum führt. Der PtdEtn-Gehalt in der Mutante bleibt unverändert, was auf eine stringente Homöostase des zellulären PtdEtn Reservoirs durch alternative Lipidbiogenesewege hindeutet. Tatsächlich verfügt T. gondii zusätzlich über einen aktiven CDP-Ethanolamin Stoffwechselweg im Endoplasmatischen Retikulum, welcher den Verlust von TgPSD1mt partiell kompensieren kann. Das zweite, sekretierte TgPSD1pv-Enzym hingegen scheint für das Parasitenwachstum in vitro entbehrlich zu sein. Infektionsversuche mit radioaktiv markierten Wirtszellen zeigten zudem eine Aufnahme von PtdEtn oder PtdEtn-Derivaten in intrazellulär replizierenden Tachyzoiten. Diese Ergebnisse demonstrieren eine außergewöhnliche Kompartmentalisierung und Plastizität der PtdEtn-Synthese in T. gondii., Toxoplasma gondii is a remarkably successful and widespread obligate intracellular protozoan parasite, which can cause the potentially life threatening disease Toxoplasmosis in humans and animals. The fast proliferating parasite requires a significant amount of phospholipids for biogenesis of organelles and enclosing vacuolar membranes. Phosphatidylethanolamine (PtdEtn) is one of the most ubiquitous phospholipids and the second most abundant lipid in T. gondii. It can be produced de novo by the CDP-ethanolamine pathway or by decarboxylation of phosphatidylserine. This work revealed the expression of two distinct PtdSer decarboxylase (PSD) enzymes in T. gondii: One of which is Coccidia-specific and partially soluble and secreted into the parasitophorous vacuole via dense granules (TgPSD1pv), and a second enzyme that localizes in the mitochondrion (TgPSD1mt) of tachyzoites. The mitochondrial PSD can complement a S. cerevisiae mutant auxotrophic for ethanolamine. A conditional knockdown of the TgPSD1mt gene impairs the parasite growth in vitro. Surprisingly, the mutant displayed an unaltered total PtdEtn content, which suggests a stringent homeostasis of the cellular PtdEtn pool by alternative routes of lipid biogenesis. Consistently, the parasite encodes an active CDP-ethanolamine pathway in the endoplasmic reticulum. Metabolic labeling of the TgPSD1mt mutant displayed an increased utilization of ethanolamine into PtdEtn, indicating an upregulation of the de novo CDP-ethanolamine pathway. Likewise, exogenous ethanolamine partially restored the growth phenotype of the mutant. In contrast, the TgPSD1pv enzyme is dispensable for the parasite growth. Host cell pre-labeling with radioactive ethanolamine indicated a potential uptake of host-derived PtdEtn or PtdEtn-derivates by intracellular parasites. Taken together, these results demonstrate an exceptional compartmentalization and plasticity of the PtdEtn synthesis in T. gondii.

The major membrane phospholipid classes, described thus far, include phosphatidylcholine (PtdCho), phosphatidylethanolamine (PtdEtn), phosphatidylserine (PtdSer), and phosphatidylinositol (PtdIns). Here, we demonstrate the natural occurrence and genetic origin of an exclusive and rather abundant lipid, phosphatidylthreonine (PtdThr), in a common eukaryotic model parasite, Toxoplasma gondii. The parasite expresses a novel enzyme PtdThr synthase (TgPTS) to produce this lipid in its endoplasmic reticulum. Genetic disruption of TgPTS abrogates de novo synthesis of PtdThr and impairs the lytic cycle and virulence of T. gondii. The observed phenotype is caused by a reduced gliding motility, which blights the parasite egress and ensuing host cell invasion. Notably, the PTS mutant can prevent acute as well as yet-incurable chronic toxoplasmosis in a mouse model, which endorses its potential clinical utility as a metabolically attenuated vaccine. Together, the work also illustrates the functional speciation of two evolutionarily related membrane phospholipids, i.e., PtdThr and PtdSer.

Wir fanden konservierte molekulare Signaturen der Regulation durch Δ7-DA und Ascarosid bei Dauer- und infektiösen Larven. Danach wurde die hohe Konservierung durch unsere Analyse in Dauer- und Postdauer-Stadium zwischen den zwei nah verwandten freilebenden Arten C. elegans und C. briggsae identifiziert. Das heißt, dass die relative Veränderung auf mRNA- oder Protein- Ebene zwischen zwei Arten stark korreliert ist. Aber die relative Veränderung innerhalb derselben Art zeigt keine hochgradige Korrelation zwischen mRNA- und Protein-Ebene. Unsere Ergebnisse zeigen in C. elegans Dauerlarven die signifikante Reduzierung der RNA-Mengen in 20 Stoffwechselwegen. Im Gegensatz dazu speicherten Dauerlarven reichlich RNA-Mengen in GO Termen wie Ribosome und Aminoacyl-tRNA biosynthesis. Auf Protein-Ebene sind die Stoffwechselwege von Proteinsynthese und Proteinverarbeitung im endoplasmatischen Retikulum in Dauerlarven herunterreguliert und GO Terme wie Lysosome sind hochreguliert. Durch die Zeitreihenanalyse der Proteom-Remodellierung der molekularen Signaturen beim Austritt aus dem Dauer-Stadium fand wir, dass GO Terme wie metal ion binding signifikant herunterreguliert sind und der Proteinabbau hochreguliert ist. Unsere Ergebnisse vom pSILAC Experiment deuten an, dass die Proteine für Energieerzeugung und Chaperone/Proteinfaltung beim Daueraustritt schnell verbraucht sind und wieder hergestellt werden. Zum Schluss haben wir als Erste den popomR-Assay in C. elegans etabliert und ein Screening der vermeintlichen Proteinbindestellen auf poly-A-RNA durchgeführt, um in der Zukunft die konservierten Mechanismen der post-transkriptionellen Regulation durch RBPs im Dauer-Stadium zu analysieren., We found the conservation of molecular signatures by regulating with Δ7-DA and Ascarosid in dauer larvae and infective larvae. Then by our comparative analysis, the high degree of conservation between two closely related free-living species C. elegans and C. briggsae was identified in dauer and post-dauer stages. This means that the relative changes are strongly correlated on the mRNA or the protein level between two species. But the relative changes in the same species don’t show any strong correlation between the mRNA and the protein levels. Our results showed a significantly reduced amount of RNA in 20 metabolic pathways in C. elegans dauer larvae. In contrast, dauer larvae stored a large amount of RNA in GO terms such as ribosome and aminoacyl-tRNA biosynthesis. On the protein level, the metabolic pathways of protein synthesis and protein processing in endoplasmic reticulum were downregulated in dauer larvae and the term of lysosome was up-regulated. Due to time course analysis for proteome remodeling of molecular signatures during exit process from dauer stage, we found that GO terms such as metal ion binding were significantly downregulated during dauer exit and at the same time the protein degradation was up-regulated. Our results of pSILAC experiment suggest that the proteins for energy generation and chaperone/protein folding are quickly spent and rebuilded during dauer exit. Finally, we were the first to establish the popomR assay in C. elegans and performed a screening of the putative protein binding sites on poly-A RNA to analyze the conserved mechanisms of post-transcriptional regulation by RBPs in dauer larvae in the future.

Leishmania tropica ist der Auslöser von kutaner Leishmaniose beim Menschen und kommt in Afrika über den Mittleren Osten bis nach Nordindien vor. Mittels Mikrosatellitentypisierung (MLMT) wurde die weltweite Populationsstruktur dieser Spezies und der nahe verwandten Spezies L. aethiopica aufgedeckt, indem sowohl Methoden angewandt wurden, die auf genetischen Distanzen beruhen als auch solche, die auf der Analyse von Allelfrequenzen basieren. Die 195 Stämme von L. tropica sowie die acht Stämme von L. aethiopica gruppierten hauptsächlich gemäß ihrer geographischen Herkunft. Die Stämme von L. aethiopica stellten eine eigene Gruppe dar, die allerdings innerhalb der afrikanischen Stämme von L. tropica gruppierte. Vorläufige Ergebnisse einer genomweiten SNP-Analyse haben die Ergebnisse der Mikrosatellitenanalyse weitgehend bestätigt. Um die Gründe für die hohe genetische Variabilität innerhalb der Spezies L. tropica herauszufinden, wurde eine Funktionelle Klonierung durchgeführt, in der N-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG) als Indikator für ein funktionierendes oder eingeschränktes Mismatch Repair (MMR)-System eingesetzt wurde. Dafür wurde ein Akzeptorstamm (hohe MNNG-Toleranz) mit einer Cosmidbibliothek, die genomische DNA eines Donorstammes (niedrige MNNG-Toleranz) enthielt, transfiziert. Die erhaltenen Transfektanten wurden dann auf ihre MNNG-Toleranz getestet. Die zeit- und kosteneffiziente Identifizierung von großen Mengen an Sandmücken ist wichtig für Feldstudien, in denen mehrere Tausend Mücken gefangen werden. Hier wird eine multiplexe Technik zur ligationsabhängigen Sondenamplifizierung vorgestellt, die die Identifizierung von Sandmücken-Spezies im Mittleren Osten ermöglicht. Die Spezies Phlebotomus syriacus, P. arabicus und P. papatasi können durch diese Methode mit spezies-spezifischen Sonden eindeutig identifiziert werden. Außerdem kann diese Methode dazu genutzt werden, weitere Spezies zu diskriminieren und auf gepoolte Sandmücken angewandt werden., Leishmania tropica is the causative agent of human cutaneous leishmaniasis in foci ranging from Africa through the Middle East to northern India. By multilocus microsatellite typing (MLMT), the world-wide population structure of this species and its closely related species L. aethiopica has been revealed applying methods based on both genetic distances and allele frequencies. The 195 strains of L. tropica and eight strains of L. aethiopica largely clustered according to their geographical origins. The strains of L. aethiopica formed a distinct group, although clustering among other African strains of L. tropica. Preliminary data obtained through a whole genome sequencing approach including strains of L. tropica, L. aethiopica and L. major have largely corroborated the results of the MLMT approach. To reveal the reasons for the high genetic variability among strains of L. tropica, a Functional Cloning approach was conducted using N-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG) as an indicator for a functioning or impaired mismatch repair (MMR) system. The transfectants retrieved from the transfection of an acceptor strain exhibiting high MNNG tolerance with a cosmid library bearing the genomic DNA of a donor strain with a reduced MNNG tolerance were screened for the restored phenotype of the donor strain. The time- and cost-efficient identification of a large amount of sand flies is important since several thousands are caught during field studies. Here, a multiplex ligation-dependent probe amplification approach (MLPA) for the identification of sand flies endemic to the Middle East is introduced. The unambiguous identification of Phlebotomus syriacus, P. arabicus and P. papatasi was possible with this approach using species-specific probes. Furthermore, this technique has the potential to discriminate more species and to be applied to pooled sand fly specimens.

In C. elegans bietet die frühe Embryogenese ein attraktives Modellsystem, um Wechselwirkungen von Proteinen in vivo zu entschlüsseln. Zur präzisen Identifizierung von spezifischen Interaktionen im C. elegans Embryo wurde ein neuer quantitativer Ansatz entwickelt, welcher die Expression von Fusionsproteinen an grün fluoreszierendes Protein in vivo mit markierungsfreier Interaktionsproteomik kombiniert. Diese Strategie wurde angewandt, um die Interaktionspartner von acht Proteinen zu untersuchen, die in essentiellen biologischen Prozessen während der frühen Embryogenese involviert sind. Diese Studie liefert als Ergebnis ein erstes embryonales in vivo Interaktionsnetzwerk bestehend aus 559 Interaktionen zwischen 472 Proteinen. Dieses Netzwerk erfasst nicht nur bekannte Bindungen, sondern auch neue Interaktionen von hoher funktioneller Relevanz. Die Netzwerkinformationen wurden mit Experimenten auf Basis der Ribonukleinsäuren-Interferenz kombiniert um neue Regulatoren der sogenannten „P granules” ausfindig zu machen. Infolgedessen wurde das fadenwurmspezifische Protein GEI-12 als neuer Interaktionspartner der DYRK-Kinase MBK-2 und als wichtiger Regler für die Dynamik der „P granules“ und für die Aufrechterhaltung der Keimbahn identifiziert. Dies führt zu einem hypothetischen Modell in welchem der Phosphorylierungszustand von GEI-12 den Auf- und Abbau der „P granules“ während der frühen Embryogenese vermittelt. Darüber hinaus veranlasst GEI-12 auch die Entstehung von „P granules“ in Säugetierzellen und bindet an PP2A-Phosphatasen, was darauf hindeutet, dass die grundlegenden biophysikalischen Eigenschaften die zur Entstehung der Ribonukleoprotein-Körperchen notwendig sind, im Laufe der Evolution zwischen Spezies konserviert geblieben sind. Zusammenfassend stellt die in vivo Interaktionskartierung ein vielseitiges Werkzeug dar, welches nicht nur die funktionelle Organisation des Proteoms aufdeckt, sondern auch Einsichten in die tierische Entwicklungsbiologie liefert., In C. elegans, early embryogenesis provides an attractive model system for mapping in vivo protein interactions. In order to accurately identify specific interactions in C. elegans embryos, a new quantitative approach was developed combining in vivo expressed GFP fusion proteins with label-free interaction proteomics. This strategy was applied to studying the interaction partners of eight bait proteins involved in essential biological processes during early embryogenesis. As a result, this study generated a pilot embryo in vivo interaction network composed of 559 interactions among 472 proteins. Importantly, this network captures not only well-characterized bindings but also new interactions of high functional relevance. Further utility of the network is demonstrated by combining it with RNAi perturbation to search for new regulators of P granule formation in early embryos. Consequently, a worm-specific protein GEI-12 was discovered as a novel interaction partner of the DYRK kinase MBK-2 and as an important regulator of P granule dynamics and germline maintenance. This leads to a hypothetical model in which the phosphorylation state of GEI-12 mediates P granule assembly and disassembly during early embryogenesis. In addition, GEI-12 also induces granule formation in mammalian cells and interacts with PP2A phosphatases, indicating that the fundamental biophysical properties required for ribonucleoprotein granule formation are conserved across species during evolution. In summary, in vivo interactome mapping is a versatile approach that not only unravels the functional organization of the proteome but also can reveal insights into animal development.

Leishmania tropica ist der Auslöser von kutaner Leishmaniose beim Menschen und kommt in Afrika über den Mittleren Osten bis nach Nordindien vor. Mittels Mikrosatellitentypisierung (MLMT) wurde die weltweite Populationsstruktur dieser Spezies und der nahe verwandten Spezies L. aethiopica aufgedeckt, indem sowohl Methoden angewandt wurden, die auf genetischen Distanzen beruhen als auch solche, die auf der Analyse von Allelfrequenzen basieren. Die 195 Stämme von L. tropica sowie die acht Stämme von L. aethiopica gruppierten hauptsächlich gemäß ihrer geographischen Herkunft. Die Stämme von L. aethiopica stellten eine eigene Gruppe dar, die allerdings innerhalb der afrikanischen Stämme von L. tropica gruppierte. Vorläufige Ergebnisse einer genomweiten SNP-Analyse haben die Ergebnisse der Mikrosatellitenanalyse weitgehend bestätigt. Um die Gründe für die hohe genetische Variabilität innerhalb der Spezies L. tropica herauszufinden, wurde eine Funktionelle Klonierung durchgeführt, in der N-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG) als Indikator für ein funktionierendes oder eingeschränktes Mismatch Repair (MMR)-System eingesetzt wurde. Dafür wurde ein Akzeptorstamm (hohe MNNG-Toleranz) mit einer Cosmidbibliothek, die genomische DNA eines Donorstammes (niedrige MNNG-Toleranz) enthielt, transfiziert. Die erhaltenen Transfektanten wurden dann auf ihre MNNG-Toleranz getestet. Die zeit- und kosteneffiziente Identifizierung von großen Mengen an Sandmücken ist wichtig für Feldstudien, in denen mehrere Tausend Mücken gefangen werden. Hier wird eine multiplexe Technik zur ligationsabhängigen Sondenamplifizierung vorgestellt, die die Identifizierung von Sandmücken-Spezies im Mittleren Osten ermöglicht. Die Spezies Phlebotomus syriacus, P. arabicus und P. papatasi können durch diese Methode mit spezies-spezifischen Sonden eindeutig identifiziert werden. Außerdem kann diese Methode dazu genutzt werden, weitere Spezies zu diskriminieren und auf gepoolte Sandmücken angewandt werden., Leishmania tropica is the causative agent of human cutaneous leishmaniasis in foci ranging from Africa through the Middle East to northern India. By multilocus microsatellite typing (MLMT), the world-wide population structure of this species and its closely related species L. aethiopica has been revealed applying methods based on both genetic distances and allele frequencies. The 195 strains of L. tropica and eight strains of L. aethiopica largely clustered according to their geographical origins. The strains of L. aethiopica formed a distinct group, although clustering among other African strains of L. tropica. Preliminary data obtained through a whole genome sequencing approach including strains of L. tropica, L. aethiopica and L. major have largely corroborated the results of the MLMT approach. To reveal the reasons for the high genetic variability among strains of L. tropica, a Functional Cloning approach was conducted using N-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG) as an indicator for a functioning or impaired mismatch repair (MMR) system. The transfectants retrieved from the transfection of an acceptor strain exhibiting high MNNG tolerance with a cosmid library bearing the genomic DNA of a donor strain with a reduced MNNG tolerance were screened for the restored phenotype of the donor strain. The time- and cost-efficient identification of a large amount of sand flies is important since several thousands are caught during field studies. Here, a multiplex ligation-dependent probe amplification approach (MLPA) for the identification of sand flies endemic to the Middle East is introduced. The unambiguous identification of Phlebotomus syriacus, P. arabicus and P. papatasi was possible with this approach using species-specific probes. Furthermore, this technique has the potential to discriminate more species and to be applied to pooled sand fly specimens.

In C. elegans bietet die frühe Embryogenese ein attraktives Modellsystem, um Wechselwirkungen von Proteinen in vivo zu entschlüsseln. Zur präzisen Identifizierung von spezifischen Interaktionen im C. elegans Embryo wurde ein neuer quantitativer Ansatz entwickelt, welcher die Expression von Fusionsproteinen an grün fluoreszierendes Protein in vivo mit markierungsfreier Interaktionsproteomik kombiniert. Diese Strategie wurde angewandt, um die Interaktionspartner von acht Proteinen zu untersuchen, die in essentiellen biologischen Prozessen während der frühen Embryogenese involviert sind. Diese Studie liefert als Ergebnis ein erstes embryonales in vivo Interaktionsnetzwerk bestehend aus 559 Interaktionen zwischen 472 Proteinen. Dieses Netzwerk erfasst nicht nur bekannte Bindungen, sondern auch neue Interaktionen von hoher funktioneller Relevanz. Die Netzwerkinformationen wurden mit Experimenten auf Basis der Ribonukleinsäuren-Interferenz kombiniert um neue Regulatoren der sogenannten „P granules” ausfindig zu machen. Infolgedessen wurde das fadenwurmspezifische Protein GEI-12 als neuer Interaktionspartner der DYRK-Kinase MBK-2 und als wichtiger Regler für die Dynamik der „P granules“ und für die Aufrechterhaltung der Keimbahn identifiziert. Dies führt zu einem hypothetischen Modell in welchem der Phosphorylierungszustand von GEI-12 den Auf- und Abbau der „P granules“ während der frühen Embryogenese vermittelt. Darüber hinaus veranlasst GEI-12 auch die Entstehung von „P granules“ in Säugetierzellen und bindet an PP2A-Phosphatasen, was darauf hindeutet, dass die grundlegenden biophysikalischen Eigenschaften die zur Entstehung der Ribonukleoprotein-Körperchen notwendig sind, im Laufe der Evolution zwischen Spezies konserviert geblieben sind. Zusammenfassend stellt die in vivo Interaktionskartierung ein vielseitiges Werkzeug dar, welches nicht nur die funktionelle Organisation des Proteoms aufdeckt, sondern auch Einsichten in die tierische Entwicklungsbiologie liefert., In C. elegans, early embryogenesis provides an attractive model system for mapping in vivo protein interactions. In order to accurately identify specific interactions in C. elegans embryos, a new quantitative approach was developed combining in vivo expressed GFP fusion proteins with label-free interaction proteomics. This strategy was applied to studying the interaction partners of eight bait proteins involved in essential biological processes during early embryogenesis. As a result, this study generated a pilot embryo in vivo interaction network composed of 559 interactions among 472 proteins. Importantly, this network captures not only well-characterized bindings but also new interactions of high functional relevance. Further utility of the network is demonstrated by combining it with RNAi perturbation to search for new regulators of P granule formation in early embryos. Consequently, a worm-specific protein GEI-12 was discovered as a novel interaction partner of the DYRK kinase MBK-2 and as an important regulator of P granule dynamics and germline maintenance. This leads to a hypothetical model in which the phosphorylation state of GEI-12 mediates P granule assembly and disassembly during early embryogenesis. In addition, GEI-12 also induces granule formation in mammalian cells and interacts with PP2A phosphatases, indicating that the fundamental biophysical properties required for ribonucleoprotein granule formation are conserved across species during evolution. In summary, in vivo interactome mapping is a versatile approach that not only unravels the functional organization of the proteome but also can reveal insights into animal development.

Infektionen mit dem intestinalen Parasiten Giardia duodenalis, verursachen weltweit eine der häufigsten humanen Parasitosen. Bislang konnten keine eindeutigen Virulenz- oder Pathogenitätsmarker des Erregers beschrieben werden. Es wird allerdings vermutet, dass potentielle G. duodenalis Virulenzfaktoren Enzyme sind, die während des Kontaktes des Erregers mit den Dünndarmepithelzellen sezerniert werden. Eines dieser Enzyme ist die Arginin Deiminase (ADI), die Arginin zu Citrullin umwandelt. Ziel dieser Arbeit war es Merkmale zu identifizieren, die für die ADI als Virulenzfaktor sprechen. Dazu wurde das Enzym zunächst hinsichtlich seiner Bedeutung für die Wirt-Pathogen-Interaktion untersucht. Die mit rekombinanter, katalytisch aktiver ADI (Assemblage A) behandelten LPS-stimulierten humanen moDC zeigten eine Veränderung in ihrem Phänotyp als auch in ihrer Cytokinsekretion. Diese ließ sich auf die durch das Enzym hervorgerufene Arginindepletion und/oder auf die Bildung der Metabolite, Citrullin und NH4+, zurückführen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Parasitenisolate verschiedener G. duodenalis Assemblage A-Subtypen, vermutlich durch die katalytische Aktivität der ADI, die Stickstoffmonoxid-Bildung einer intestinalen Epithelzelllinie inhibiert. Neben dem Einfluss auf die Wirtsimmunantwort wurde auch die Variabilität in der kodierenden Sequenz des Enzyms in verschiedenen Parasitenisolaten analysiert. Anschließend erfolgte die funktionelle Charakterisierung des nativen (verschiedene Assemblage A-Subtypen) als auch des rekombinant aufgereinigten Enzyms (Assemblage A, B und E). Dabei zeigten sich Unterschiede in der Substrataffinität der ADI für Arginin, sowohl zwischen unterschiedlichen Assemblage A-Subtypen als auch unterschiedlichen Assemblage-Klassen. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass die G. duodenalis ADI immunmodulatorische Effekte hat und das vermutlich eine Korrelation zwischen der Variation in der Primärstruktur und der Funktion des Enzyms besteht., Giardia duodenalis (G. duodenalis) is an intestinal protozoan parasite that causes giardiasis, one of the most prevalent parasitic diseases worldwide. So far, little is known concerning host-parasite interaction, in particular what determines the parasite’s pathogenicity. Several potential virulence factors, among them the arginine deiminase (ADI) that hydrolyzes arginine into citrulline and NH4+, are discussed. The ADI was identified to be released upon contact with intestinal epithelium by Giardia trophozoites and was recognized as an immunoreactive protein during acute human giardiasis. Aim of the study was to identify hints for G. duodenalis ADI to be a virulence factor. First, to analyze the enzyme’s impact on host-parasite interplay, its influence on human monocyte-derived dendritic cells (moDC) was investigated. Treatment of LPS-stimulated cells with recombinant ADI of assemblage A changed DC phenotype (CD83, CD86) and cytokine secretion (TNF-α, IL-10, IL-12p40). These immunomodulatory changes in DC response were due to arginine depletion and the formation of reaction products, in particular, ammonium ions. Furthermore, trophozoites of different assemblage subtypes were shown, probably due to consumption of arginine by ADI, to reduce nitric oxide formation by intestinal epithelial cells in vitro. Second, variation in the ADI coding sequence of different G. duodenalis isolates being collected in a Giardia biobank was analyzed by sequencing. Subsequently, functional genetics were performed with native ADI of different assemblage A subtypes expressed by these strains as well as with purified, recombinant ADI of assemblage A, B and E. It was recognized that enzymes of the same subtype as well as of different assemblages types had different substrate affinities for arginine. To sum up, this report identified G. duodenalis ADI to be immunomodulatory and gives first indications of a correlation between enzyme function and variation of the protein primary structure.

Toxoplasma gondii ist wohl der am besten an den Menschen und Tieren angepasste Parasit der Welt und eine der Hauptursachen für Abtreibungen und opportunistsiche Infektionen. Das Verständnis der Stoffwechselflexibilität dieses Parasiten ist essentiel um seine Anpassungsfähigkeit nachzuvollziehen. Lipide sind Grundbestandteile der biologischen Membranen. Doch in den letzten Jahrzehnten sind neben der Biogenese der Membranen noch weitere Funktionen entdeckt worden. Hier berichten wir zum ersten Mal über Phosphatidylthreonin (PtdThr) als Hauptphospholipid von T. gondii und zeigen seine Beziehung mit seinem archetypischen Analogon, Phosphatidylserin (PtdSer). Wir identifizieren auch ein neues Parasitenenzym (TgPTS), welches von der regulären PtdSer-Synthase-Familie abgewichen ist und dieses sonst selten vorkommende Lipid synthetisiert. Die Gendeletion von TgPTS stoppte nicht nur die Synthese von PtdThr, sondern auch stark beeinträchtigt den lytischen Zyklus von T. gondii, insbesondere beim Aus- und Eintritt in die Wirtszellen, ohne dabei die Replikation des Parasiten zu verhindern. Unsere Arbeit zeigt, dass entweder ein niedriger Ca2+-Pool oder eine verminderte Ca2+-Mobilisierung aus dem endoplasmatischen Retikulum des Parasiten eine reduzierte Motilität verursachen, welche den beobachteten Phänotypen zugrunde liegt. Darüber hinaus fehlt es den mutierten Parasiten an PtdThr (Δtgpts), sie sind avirulent und üben vollständigen Schutz gegen akute und chronische Toxoplasmose in einem Mausmodell aus. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung der Parasitenlipide als therapeutisches Ziel und von genetisch abgeschwächten Stämmen für die Entwicklung von wirksamen Impfstoffen gegen Kokzidien., Toxoplasma gondii is arguably the most succesful parasite in Earth and a major cause of abortion and opportunistic infections in humans and livestock. Understanding the metabolic flexibility of this parasite is essential to comprehend its adaptability. Lipids are basic components of biological membranes. However, in the last decades non-customary roles for lipids beyond membrane biogenesis have been recognized. Here we report for the first time phosphatidylthreonine (PtdThr) as a major phospholipid in T. gondii and show its relationship with its archetypical analog, phosphatidylserine (PtdSer). We also identify a novel parasite enzyme (TgPTS), which diverged from the mainstream PtdSer-synthase family to produce this otherwise rare lipid. Genetic ablation of TgPTS not only abolished PtdThr synthesis, but also impaired severely the lytic cycle of T. gondii, particularly the egress but also the invasion into host cells without affecting the parasite replication. Our work indicates that, either a lower Ca2+ pool and/or a diminished Ca2+ mobilization from the parasite endoplasmic reticulum cause a reduced gliding motility, which underlies the observed phenotypes. Moreover, the mutant parasites lacking PtdThr (Δtgpts) are avirulent and exert full protection against both, acute and chronic toxoplasmosis in a murine model. These results highlight the importance of parasite lipids as therapeutic targets and of genetically-attenuated strains in the development of effective vaccines against coccidian parasites.

Eimeria falciformis ist ein Apicomplexa-Parasit, welcher das Blinddarmepithel der Maus befällt. Aufgrund des monoxenen Lebenszyklus in einem exzellent-erforschten Wirt, bietet sich E. falciformis als Modellorganismus an, um Wirts-Parasit-Interaktionen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Hilfe von Genexpressionsanalysen bei E. falciformis-infizierten Zellen und Mäusen Wirtsfaktoren identifiziert, welche für die in vitro bzw. in vivo Entwicklung des Parasiten vonnöten sind. Der Transkriptionsfaktor c-FOS (FBJ osteosarcoma oncogene) zeigte eine erhöhte Expression bei der Infektion einer Epithelzelllinie mit E. falciformis. C-FOS ist ein Bestandteil des AP-1 (activator protein 1) Komplexes, welcher die Transkription zahlreicher Gene unterschiedlichster Funktion steuert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Entwicklung von E. falciformis in Zellen, welche den Transkriptionsfaktor nicht besitzen (c-FOS knockout Zellen) beeinträchtigt war. Diese Beobachtung betont eine mögliche Ausbeutung des Transkriptionsfaktors des Wirtes durch den Parasiten. In E. falciformis-infizierten Mäusen war die Expression des Enzyms Indoleamin 2,3-Dioxygenase (IDO1) bemerkenswert induziert. IDO1 katalysiert die erste und geschwindigkeits-bestimmende Reaktion des Tryptophan-Abbaus innerhalb des Kynurenin-Stoffwechselweges. Wir zeigen in dieser Studie, dass in den E. falciformis-infizierten Epithelzellen IDO1 IFN-gamma abhängig induziert wird. Das Wachstum des Parasiten war zudem beeinträchtigt in IDO1-/- Mäusen sowie in Mäusen, in welchen zwei weiterer Enzyme des Kynurenin-Stoffwechselweges pharmakologisch inhibiert wurden. Bemerkenswerterweise konnte das Parasitenwachstum in IDO1-/- Mäusen durch Gabe von Xanthurensäure, ein Nebenprodukt des Tryptophan-Abbaus, auf Wildtyp-Niveau angehoben werden. Diese Daten demonstrieren, dass sich der intrazelluläre Parasit E. falciformis die wirtseigenen Verteidigungsmechanismen (IFN-gamma, IDO1) für seine eigene Entwicklung zu Nutze macht., Eimeria falciformis is a highly host- and tissue-specific parasite of murine caecum epithelium. Its monoxenous life cycle in a well-investigated host makes it an excellent model to examine parasite-host interactions. To identify the host determinants of the parasite infection, this work involved the comparative in vitro and in vivo analyses of mouse gene modulation by E. falciformis. The in vitro microarray analyses identified the transcription factor FBJ osteosarcoma oncogene (c-FOS) as highly induced during E. falciformis infection. C-FOS is part of the activator protein 1 (AP-1) complex, which controls the transcription of genes involved in various biological processes. We show that infection of c-FOS-deficient mouse cells results in an impaired development of E. falciformis, highlighting an exploitation of the host transcription factor by an apicomplexan parasite. Our ex vivo gene expression analyses using mouse caecum cells revealed a substantial modulation of the host transcriptome. The indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1), the first and rate-limiting enzyme of tryptophan catabolism in the kynurenine pathway, was one of the most up-regulated epithelial transcripts. Induction of IDO1 supposedly depletes tryptophan in host cells, which is proposed to inhibit the in vitro growth of pathogens auxotrophic for this essential amino acid. We show that E. falciformis induces IDO1 in the epithelial cells in an IFN-gamma-dependent manner. The absence or inhibition of IDO1 and two downstream enzymes of the pathway in the mouse impairs parasite growth. Noticeably, the parasite development was entirely rescued by xanthurenic acid, a by-product of tryptophan catabolism. These data demonstrate contrasting roles of IFN-gamma signaling and a conceptual subversion of the host defense (IFN-gamma, IDO1) by an intracellular pathogen for progression of its natural life cycle.

Die Polarisierung von Makrophagen resultiert in einer Vielzahl von Subtypen, z.B. M1 oder M2. In dieser Studie lege ich die Makrophagen-Polarisierung im allergischen Asthma mit Fokus auf microRNA (miRNA) dar. Nach Etablierung von Subtyp–charakteristischen mRNA und miRNA Expressionsprofilen in vitro polarisierter, humaner blutstämmiger Makrophagen wurden diese Profile genutzt, um den Polarisierungsstatus isolierter Lungenmakrophagen in einem Mausmodell des Asthmas zu ermitteln. Es wurden humane blutstämmige Makrophagen in vitro durch IFNg/LPS (M1) bzw. IL4/IL13 (M2) polarisiert. M1-assoziierte Gene waren TNFa, IL6 und IL1b, während in M2 Makrophagen eine Induktion von CD209 und PPARg beobachtet wurde. Herauf-regulierte miRNAs waren z.B. hsa-miR-187-3p, hsa-miR-155-5p und hsa-miR-146a-5p (M1) bzw. hsa-miR-193b-3p und hsa-miR-511-5p (M2). Eine in silico Vorhersage von mRNA/miRNA Interaktionspartnern wurde in einem Luciferase Reportermodell überprüft, das u.a. hsa-miR-187-3p als Regulator von SH2B2 und hsa-miR-187-3p sowie hsa-miR-155-5p als kooperative Regulatoren von LAMP2 bestätigte. Unter physiologischen Bedingungen regulierte hsa-miR-187-3p die SH2B2 mRNA herunter, aber es lag kein Einfluß von hsa-miR-187-3p oder hsa-miR-155-5p auf LAMP2 mRNA oder Protein vor. Weiterhin wurden die miRNA Profile von murinen Makrophagen erhoben, die aus der bronchoalveolären Lavage und aus Lungengewebe gewonnen wurden. Diese Profile wurden in einer vergleichenden Analyse von gesunden Mäusen und Mäusen mit akuter Ovalbumin-induzierter eosinophiler Atemwegsentzündung eingesetzt. In Reaktion auf Ovalbumin regulierte miRNAs waren z.B. mmu-miR-21a-5p und mmu-miR-155-5p (heraufreguliert), sowie mmu-miR-126-3p und mmu-miR-146a-5p (herunterreguliert). Sowohl M1 als auch M2 assoziierte Muster zeigten sich vor allem in der reziproken Regulation von mmu-miR-155-5p (heraufreguliert) und mmu-miR-146a-5p (herunterreguliert)., Macrophage polarization gives rise to a plethora of macrophage subtypes, e.g. M1 or M2. In this thesis, I aim to point out some features of macrophage polarization in allergic asthma with a focus on microRNA (miRNA). The chosen approach started with the establishment of subtype-characteristic mRNA and miRNA profiles of in vitro polarized human macrophages. In a second step, the miRNA patterns were used to interpret the polarization status of isolated lung macrophages from a murine model of asthma. In vitro polarization of human blood-derived macrophages was performed by IFNgLPS (M1) and IL4/IL13 (M2), and global mRNA and miRNA profiling ensued. M1-induced genes included TNFa, IL6 and IL1b, whereas in M2 macrophages, CD209 and PPARg were induced. M1-associated miRNAs were hsa-miR-187-3p, hsa-miR-155-5p and hsa-miR-146a-5p, while hsa-miR-193b-3p and hsa-miR-511-5p were induced in M2 macrophages. In silico prediction of mRNA/miRNA interaction partners was experimentally validated in a luciferase-based reporter assay that confirmed hsa-miR-187-3p as a regulator of SH2B2 and the pair of hsa-miR-187-3p and hsa-miR-155-5p as cooperative regulators of LAMP2. Under physiologic conditions, hsa-miR-187-3p was able to down-regulate SH2B2 transcript, but there was no impact of either hsa-miR-187-3p or hsa-miR-155-5p on LAMP2 mRNA or protein. Furthermore, the miRNA profiles of murine macrophages from the bronchoalveolar lavage fluid and from lung tissue were established and compared between healthy mice and mice with acute Ovalbumin-induced eosinophilic airway inflammation. Individual miRNAs responding to Ovalbumin were e.g. mmu-miR-21a-5p and mmu-miR-155-5p (up-regulated), and mmu-miR-126-3p and mmu-miR-146a-5p (down-regulated). Characteristics of both M1- and M2-associated miRNA patterns were most evident in the concomitant reciprocal expression of mmu-miR-155-5p (up-regulated) and mmu-miR-146a-5p (down-regulated).

Regulatorische T-Zellen (Treg) eröffnen neue immuntherapeutische Wege zur Kontrolle unerwünschter Immunreaktionen, jedoch wirft die Heterogenität dieser Zellen die Frage auf, welche Treg-Population für die klinische Anwendung. Darauf basierend werden in dieser Arbeit drei Fragestellungen bearbeitet: i) Bestimmung der Häufigkeit von Tregs und deren Subpopulationen in verschiedenen Altersgruppen bei Empfängern einer Organtransplantation (Tx) und einer gesunden Kontrollgruppe; ii) Vergleich der Suppressorkapazität verschiedener Treg-Populationen und in vitro-Expansion der Zellen unter Erhaltung ihrer Funktionalität; iii) Klärung der Differenzierungsmerkmale von Tregs und deren Verknüpfung mit konventionellen T-Zellen (Tconv) mittels Analyse des T-Zell-Rezeptor- (TCR) Repertoires. Sowohl bei gesunden Probanden als auch bei Tx-Empfänger konnte eine altersabhängige Verschiebung von naiven (TregN) hin zu dominant zentralen Gedächtnis-Zellen (TregCM) beobachtet werden, Treg von Tx-Empfängern hatten mehr Effektor-Memory-Zellen (EM) und sie waren mehr aktiviert. In Bezug auf die Kontrolle der frühen Tconv zeigen TregCM eine erhöhte Suppressorkapazität im Vergleich zu TregN. Außerdem sind im Gegensatz zu TregN nur TregCM dazu in der Lage, Apoptose bei Responderzellen zu induzieren. Der Grund hierfür könnte in der stärkeren Expression von CTLA-4 auf TregM liegen. Die Expansionskultur führte zur phänotypischen Veränderung der TregN, deren Umwandlung in TregCM mit einer verbesserten Suppressoraktivität verbunden ist. Die Daten legen nahe, dass das Expandieren mit gesamt Treg für die Adoptive-Treg-Therapie optimal sind, da sie der größte Anteil von ihnen die hochpotenten TregCM sind. TCR-Studien mittels Next Generation Sequencing zeigen weiter, dass TregM aus TregN entstehen, anstatt aus Tconv, in einem Antigen-gesteuerten Prozess. Diese Daten belegen erstmalig neue Erkenntnisse hinsichtlich der Unterschiede der TCR-Repertoires von TregM und Tconv beim Menschen., Regulatory T cells (Treg) offer new immunotherapeutic options to control undesired immune reactions, but the heterogeinetiy of Treg raises the question which Treg population should be used for clinical translation Thus, this project involves three main parts: i) investigating Treg frequency and subsets distribution with age in healthy donors and transplant (Tx) patients; ii) comparing the suppressive capacity of Treg subsets and expanding them in vitro without losing functionality; iii) clarifyjing the differiation relationship of Treg subsets and their relation to conventional T cells (Tconv) by T cell receptor (TCR) repertoire analysis. From both healthy donors and Tx patients, an age-dependent shift from naïve Treg (TregN) to the dominant central-memory Treg (TregCM) was observed,; However,Treg in Tx patients contained more effector-memory EM cells, , and they were pre-activated due to the exposure to allo antigens,. Regarding control of early Tconv activation, TregCM showed enhanced suppressive capacity compared to TregN; furthermore, only TregCM could induce apoptosis of responder cells while TregN could not, which may result from thehigherexpression of cytotoxic T-lymphocyte antigen 4 (CTLA-4) on TregM. Following in vitro expansion of the Treg subsets, however, TregN converted mainly into TregCM phenotype with enhanced suppression activity. The poor proliferation capacity of TregEM might indicate EM as the terminal differential stage. These data suggest that expansion with total Treg is optimal for adoptive Treg therapy as the majority of them are the highly potent TregCM. Lastly, TCR repertoire study by next generation sequencing (NGS) indicate that TregM derived from TregN rather than Tconv in an antigen-driven process. The highest similarity of the TCR repertoires was observed between TregCM and TregEM. These data reveal new insights for the first time into the distinct TCR repertoires of Treg subsets and Tconv in human by NGS technology.

Die Polarisierung von Makrophagen resultiert in einer Vielzahl von Subtypen, z.B. M1 oder M2. In dieser Studie lege ich die Makrophagen-Polarisierung im allergischen Asthma mit Fokus auf microRNA (miRNA) dar. Nach Etablierung von Subtyp–charakteristischen mRNA und miRNA Expressionsprofilen in vitro polarisierter, humaner blutstämmiger Makrophagen wurden diese Profile genutzt, um den Polarisierungsstatus isolierter Lungenmakrophagen in einem Mausmodell des Asthmas zu ermitteln. Es wurden humane blutstämmige Makrophagen in vitro durch IFNg/LPS (M1) bzw. IL4/IL13 (M2) polarisiert. M1-assoziierte Gene waren TNFa, IL6 und IL1b, während in M2 Makrophagen eine Induktion von CD209 und PPARg beobachtet wurde. Herauf-regulierte miRNAs waren z.B. hsa-miR-187-3p, hsa-miR-155-5p und hsa-miR-146a-5p (M1) bzw. hsa-miR-193b-3p und hsa-miR-511-5p (M2). Eine in silico Vorhersage von mRNA/miRNA Interaktionspartnern wurde in einem Luciferase Reportermodell überprüft, das u.a. hsa-miR-187-3p als Regulator von SH2B2 und hsa-miR-187-3p sowie hsa-miR-155-5p als kooperative Regulatoren von LAMP2 bestätigte. Unter physiologischen Bedingungen regulierte hsa-miR-187-3p die SH2B2 mRNA herunter, aber es lag kein Einfluß von hsa-miR-187-3p oder hsa-miR-155-5p auf LAMP2 mRNA oder Protein vor. Weiterhin wurden die miRNA Profile von murinen Makrophagen erhoben, die aus der bronchoalveolären Lavage und aus Lungengewebe gewonnen wurden. Diese Profile wurden in einer vergleichenden Analyse von gesunden Mäusen und Mäusen mit akuter Ovalbumin-induzierter eosinophiler Atemwegsentzündung eingesetzt. In Reaktion auf Ovalbumin regulierte miRNAs waren z.B. mmu-miR-21a-5p und mmu-miR-155-5p (heraufreguliert), sowie mmu-miR-126-3p und mmu-miR-146a-5p (herunterreguliert). Sowohl M1 als auch M2 assoziierte Muster zeigten sich vor allem in der reziproken Regulation von mmu-miR-155-5p (heraufreguliert) und mmu-miR-146a-5p (herunterreguliert)., Macrophage polarization gives rise to a plethora of macrophage subtypes, e.g. M1 or M2. In this thesis, I aim to point out some features of macrophage polarization in allergic asthma with a focus on microRNA (miRNA). The chosen approach started with the establishment of subtype-characteristic mRNA and miRNA profiles of in vitro polarized human macrophages. In a second step, the miRNA patterns were used to interpret the polarization status of isolated lung macrophages from a murine model of asthma. In vitro polarization of human blood-derived macrophages was performed by IFNgLPS (M1) and IL4/IL13 (M2), and global mRNA and miRNA profiling ensued. M1-induced genes included TNFa, IL6 and IL1b, whereas in M2 macrophages, CD209 and PPARg were induced. M1-associated miRNAs were hsa-miR-187-3p, hsa-miR-155-5p and hsa-miR-146a-5p, while hsa-miR-193b-3p and hsa-miR-511-5p were induced in M2 macrophages. In silico prediction of mRNA/miRNA interaction partners was experimentally validated in a luciferase-based reporter assay that confirmed hsa-miR-187-3p as a regulator of SH2B2 and the pair of hsa-miR-187-3p and hsa-miR-155-5p as cooperative regulators of LAMP2. Under physiologic conditions, hsa-miR-187-3p was able to down-regulate SH2B2 transcript, but there was no impact of either hsa-miR-187-3p or hsa-miR-155-5p on LAMP2 mRNA or protein. Furthermore, the miRNA profiles of murine macrophages from the bronchoalveolar lavage fluid and from lung tissue were established and compared between healthy mice and mice with acute Ovalbumin-induced eosinophilic airway inflammation. Individual miRNAs responding to Ovalbumin were e.g. mmu-miR-21a-5p and mmu-miR-155-5p (up-regulated), and mmu-miR-126-3p and mmu-miR-146a-5p (down-regulated). Characteristics of both M1- and M2-associated miRNA patterns were most evident in the concomitant reciprocal expression of mmu-miR-155-5p (up-regulated) and mmu-miR-146a-5p (down-regulated).

Regulatorische T-Zellen (Treg) eröffnen neue immuntherapeutische Wege zur Kontrolle unerwünschter Immunreaktionen, jedoch wirft die Heterogenität dieser Zellen die Frage auf, welche Treg-Population für die klinische Anwendung. Darauf basierend werden in dieser Arbeit drei Fragestellungen bearbeitet: i) Bestimmung der Häufigkeit von Tregs und deren Subpopulationen in verschiedenen Altersgruppen bei Empfängern einer Organtransplantation (Tx) und einer gesunden Kontrollgruppe; ii) Vergleich der Suppressorkapazität verschiedener Treg-Populationen und in vitro-Expansion der Zellen unter Erhaltung ihrer Funktionalität; iii) Klärung der Differenzierungsmerkmale von Tregs und deren Verknüpfung mit konventionellen T-Zellen (Tconv) mittels Analyse des T-Zell-Rezeptor- (TCR) Repertoires. Sowohl bei gesunden Probanden als auch bei Tx-Empfänger konnte eine altersabhängige Verschiebung von naiven (TregN) hin zu dominant zentralen Gedächtnis-Zellen (TregCM) beobachtet werden, Treg von Tx-Empfängern hatten mehr Effektor-Memory-Zellen (EM) und sie waren mehr aktiviert. In Bezug auf die Kontrolle der frühen Tconv zeigen TregCM eine erhöhte Suppressorkapazität im Vergleich zu TregN. Außerdem sind im Gegensatz zu TregN nur TregCM dazu in der Lage, Apoptose bei Responderzellen zu induzieren. Der Grund hierfür könnte in der stärkeren Expression von CTLA-4 auf TregM liegen. Die Expansionskultur führte zur phänotypischen Veränderung der TregN, deren Umwandlung in TregCM mit einer verbesserten Suppressoraktivität verbunden ist. Die Daten legen nahe, dass das Expandieren mit gesamt Treg für die Adoptive-Treg-Therapie optimal sind, da sie der größte Anteil von ihnen die hochpotenten TregCM sind. TCR-Studien mittels Next Generation Sequencing zeigen weiter, dass TregM aus TregN entstehen, anstatt aus Tconv, in einem Antigen-gesteuerten Prozess. Diese Daten belegen erstmalig neue Erkenntnisse hinsichtlich der Unterschiede der TCR-Repertoires von TregM und Tconv beim Menschen., Regulatory T cells (Treg) offer new immunotherapeutic options to control undesired immune reactions, but the heterogeinetiy of Treg raises the question which Treg population should be used for clinical translation Thus, this project involves three main parts: i) investigating Treg frequency and subsets distribution with age in healthy donors and transplant (Tx) patients; ii) comparing the suppressive capacity of Treg subsets and expanding them in vitro without losing functionality; iii) clarifyjing the differiation relationship of Treg subsets and their relation to conventional T cells (Tconv) by T cell receptor (TCR) repertoire analysis. From both healthy donors and Tx patients, an age-dependent shift from naïve Treg (TregN) to the dominant central-memory Treg (TregCM) was observed,; However,Treg in Tx patients contained more effector-memory EM cells, , and they were pre-activated due to the exposure to allo antigens,. Regarding control of early Tconv activation, TregCM showed enhanced suppressive capacity compared to TregN; furthermore, only TregCM could induce apoptosis of responder cells while TregN could not, which may result from thehigherexpression of cytotoxic T-lymphocyte antigen 4 (CTLA-4) on TregM. Following in vitro expansion of the Treg subsets, however, TregN converted mainly into TregCM phenotype with enhanced suppression activity. The poor proliferation capacity of TregEM might indicate EM as the terminal differential stage. These data suggest that expansion with total Treg is optimal for adoptive Treg therapy as the majority of them are the highly potent TregCM. Lastly, TCR repertoire study by next generation sequencing (NGS) indicate that TregM derived from TregN rather than Tconv in an antigen-driven process. The highest similarity of the TCR repertoires was observed between TregCM and TregEM. These data reveal new insights for the first time into the distinct TCR repertoires of Treg subsets and Tconv in human by NGS technology.

Eimeria falciformis ist ein Apicomplexa-Parasit, welcher das Blinddarmepithel der Maus befällt. Aufgrund des monoxenen Lebenszyklus in einem exzellent-erforschten Wirt, bietet sich E. falciformis als Modellorganismus an, um Wirts-Parasit-Interaktionen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Hilfe von Genexpressionsanalysen bei E. falciformis-infizierten Zellen und Mäusen Wirtsfaktoren identifiziert, welche für die in vitro bzw. in vivo Entwicklung des Parasiten vonnöten sind. Der Transkriptionsfaktor c-FOS (FBJ osteosarcoma oncogene) zeigte eine erhöhte Expression bei der Infektion einer Epithelzelllinie mit E. falciformis. C-FOS ist ein Bestandteil des AP-1 (activator protein 1) Komplexes, welcher die Transkription zahlreicher Gene unterschiedlichster Funktion steuert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Entwicklung von E. falciformis in Zellen, welche den Transkriptionsfaktor nicht besitzen (c-FOS knockout Zellen) beeinträchtigt war. Diese Beobachtung betont eine mögliche Ausbeutung des Transkriptionsfaktors des Wirtes durch den Parasiten. In E. falciformis-infizierten Mäusen war die Expression des Enzyms Indoleamin 2,3-Dioxygenase (IDO1) bemerkenswert induziert. IDO1 katalysiert die erste und geschwindigkeits-bestimmende Reaktion des Tryptophan-Abbaus innerhalb des Kynurenin-Stoffwechselweges. Wir zeigen in dieser Studie, dass in den E. falciformis-infizierten Epithelzellen IDO1 IFN-gamma abhängig induziert wird. Das Wachstum des Parasiten war zudem beeinträchtigt in IDO1-/- Mäusen sowie in Mäusen, in welchen zwei weiterer Enzyme des Kynurenin-Stoffwechselweges pharmakologisch inhibiert wurden. Bemerkenswerterweise konnte das Parasitenwachstum in IDO1-/- Mäusen durch Gabe von Xanthurensäure, ein Nebenprodukt des Tryptophan-Abbaus, auf Wildtyp-Niveau angehoben werden. Diese Daten demonstrieren, dass sich der intrazelluläre Parasit E. falciformis die wirtseigenen Verteidigungsmechanismen (IFN-gamma, IDO1) für seine eigene Entwicklung zu Nutze macht., Eimeria falciformis is a highly host- and tissue-specific parasite of murine caecum epithelium. Its monoxenous life cycle in a well-investigated host makes it an excellent model to examine parasite-host interactions. To identify the host determinants of the parasite infection, this work involved the comparative in vitro and in vivo analyses of mouse gene modulation by E. falciformis. The in vitro microarray analyses identified the transcription factor FBJ osteosarcoma oncogene (c-FOS) as highly induced during E. falciformis infection. C-FOS is part of the activator protein 1 (AP-1) complex, which controls the transcription of genes involved in various biological processes. We show that infection of c-FOS-deficient mouse cells results in an impaired development of E. falciformis, highlighting an exploitation of the host transcription factor by an apicomplexan parasite. Our ex vivo gene expression analyses using mouse caecum cells revealed a substantial modulation of the host transcriptome. The indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1), the first and rate-limiting enzyme of tryptophan catabolism in the kynurenine pathway, was one of the most up-regulated epithelial transcripts. Induction of IDO1 supposedly depletes tryptophan in host cells, which is proposed to inhibit the in vitro growth of pathogens auxotrophic for this essential amino acid. We show that E. falciformis induces IDO1 in the epithelial cells in an IFN-gamma-dependent manner. The absence or inhibition of IDO1 and two downstream enzymes of the pathway in the mouse impairs parasite growth. Noticeably, the parasite development was entirely rescued by xanthurenic acid, a by-product of tryptophan catabolism. These data demonstrate contrasting roles of IFN-gamma signaling and a conceptual subversion of the host defense (IFN-gamma, IDO1) by an intracellular pathogen for progression of its natural life cycle.

Wir nutzten in dieser Studie den apikomplexen Parasiten Eimeria falciformis als Modell. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das in infizierten Wildtypmäusen dominierende Zytokin IFN-γ für Immunschutz und für die Entwicklung der Darmpathologie entbehrlich war. E. falciformis-infizierte IFN-γR-/- and IFN-γ-/- Mäuse zeigten extremen Körpergewichtsverlust und starke Pathologie im Darm. Die Entwicklung des Parasiten in diesen Mäusen war überraschenderweise reduziert. Diese Beobachtungen gingen mit einer drastisch erhöhten Produktion von parasiten-spezifischem IL-17A und IL-22 durch CD4+ T Zellen einher. Gleichzeitige Neutralisierung von IL-17A und IL-22 in E. falciformis-infizierten IFN-γR-/- Mäusen verringerte den Körpergewichtsverlust und die Darmpathologie, und führte zu einer erhöhten Ausscheidung von Parasiten. Die Behandlung einer E. falciformis-infizierten intestinalen Epithelzelllinie mit IL-17A oder IL-22 führte zu einer signifikant reduzierten Entwicklung von E. falciformis in vitro. Diese Daten demonstrieren erstmalig einen anti-parasitären Effekt von IL-22 im Darm und deuten auf redundante Rollen von IL-17A und IL-22 im Hinblick auf die Förderung von Darmpathologie in Abwesenheit von IFN-γ hin. Um E. falciformis als Modellsystem weiter zu entwickeln, haben wir die Transfektion von E. falciformis Sporozoiten mit verschiedenen Plasmiden die den Reporter YFP und den Resistenzmarker DHTS enthalten etabliert. Rektal in Mäuse injizierte Sporozoiten entwickelten sich erfolgreich zu Oocysten, wenn auch mit geringerer Effizienz im Vergleich zur oralen Infektion mit Oozysten. Wiederholte in vivo Selektion YFP-exprimierender Oozysten führte zu Populationen mit maximal 34 % YFP-exprimierenden Parasiten. Wir demonstrieren in dieser Arbeit zum ersten Mal die Transfektion von E. falciformis und zeigen Perspektiven im Hinblick auf die Etablierung einer stabil transgenen Parasitenlinie auf., The roles of Th1 and Th17 responses as mediators of host protection and pathology in the intestine are the subjects of intense research. Here we investigated a model of intestinal inflammation driven by the intracellular apicomplexan parasite Eimeria falciformis. Although IFN-γ was the predominant cytokine during E. falciformis infection in wild type mice, it was found to be dispensable for host defence and the development of infection-driven intestinal inflammation. E. falciformis-infected IFN-γR-/- and IFN-γ-/- mice developed dramatically exacerbated body weight loss and intestinal pathology, but surprisingly harboured fewer parasites. This was associated with a striking increase in parasite-specific IL-17A and IL-22 production in the mesenteric lymph nodes and at the site of infection. Concurrent neutralisation of IL-17A and IL-22 in E. falciformis infected IFN-γR-/- mice resulted in a reduction in infection induced body weight loss and inflammation and significantly increased parasite shedding. Taken together these data demonstrate for the first time an anti-parasitic effect of IL-22 during an intestinal infection and suggest that IL-17A and IL-22 have redundant roles in driving intestinal pathology in the absence of IFN-γ signalling. To further develop E. falciformis as a model system, we established transfection of E. falciformis sporozoites using various plasmids that contain the fluorescent reporter YFP and the resistance marker DHTS. Sporozoites applied rectally to mice were shown to complete their life cycle, albeit with a lower efficiency in comparison to oral infection with oocysts. Repeated in vivo selection using pyrimethamine and/or FACS and manual sorting led to a maximum percentage of 34 % YFP-expressing oocysts. Taken together, we demonstrate for the first time transfection of E. falciformis and provide perspectives for further work on the establishment of a stable transgenic parasite line.

Salmonella spp. sind fakultative intrazelluläre Pathogene, die gastrointestinale und systemische Erkrankungen in einem umfassenden Wirtsbereich, einschließlich Tier und Mensch, hervorrufen. Salmonella benötigt verschiedene Virulenzgene für die Infektion welche auf sogenannten Salmonella Pathogenitäts-Inseln (SPI) kodiert sind. Hinzu kommt, dass auch zahlreiche im Salmonella Genom verstreuten Gene an verschiedenen Aspekten von Virulenz und Pathogenese beteiligt sind. In der vorliegenden Studie wurde die Funktion eines zuvor nicht beschriebenen putativen transkriptionellen Regulators (STM0029) charakterisiert und definiert. Dieser scheint für die Abwehr von zellulären bakterizid wirkenden Verbindungen und das Überleben des Bakteriums innerhalb einer intrazellulären Nische von entscheidender Bedeutung zu sein. Die STM0029-deletierte Mutante wies eine gesteigerte Sensitivität gegenüber antimikrobiellen Peptiden und bakteriziden Verbindungen auf. Dazu zählten α-Defensin-1, β- Defensin-1, β-Defensin-2, LL-37 und Polymyxin B sowie Komponenten des Komplementsystems. Unerwartet war die Beobachtung, dass die Expression von STM0029 durch das PmrA/B Zwei Komponenten System reprimiert vorlag, während das PhoP/Q Zwei Komponenten System keinen Einfluss auf die Expression von STM0029 zu scheinen hat. Beide Komponent Systeme spielen bekanntlich eine entscheidende Rolle bei der Expressionsregulation von Genen die für das intrazelluläre Überleben von Salmonella wichtig sind. Bemerkenswert ist, dass ein Set von Genen welche an der Biosynthese und/oder der Modifikation für das LPS O-Antigen sowie des Peptidoglykans in der bakteriellen Zellwand beteiligt ist, im STM0029 Deletionshintergrund herab reguliert vorlag. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass das STM0029 Genprodukt die Persistenz des Pathogen in Wirtszellen beeinflusst. Möglicherweise geschieht dies durch das Umgehen von wirtseigenen Abwehrmechanismen., Salmonella spp. are facultative intracellular pathogens, which cause gastrointestinal and systemic diseases in a broad range of hosts including animals and humans. In addition to virulence genes clustered within pathogenicity islands, numerous additional genes scattered throughout the genome are also involved in various aspects of Salmoenlla virulence and pathogenesis. In this study, I identified a Salmonella putative transcriptional regulator encoded by a previously uncharacterized open reading frame designated STM0029. Deletion of STM0029 altered the expression of genes involved in both the resistance to host bactericidal challenges, and bacterial cell wall biosynthesis in S. Tyhpimurium. The ΔSTM0029 strain showed a defect in the resistance to host antimicrobial peptides, including α-defensin-1, β-defensin-1, β-defensin-2, LL-37, and polymyxin B as well as serum challenges compared to the wildtype. Unexpectedly, expression of STM0029 was found to be repressed by the PmrA/B two component system, but appeared to be independent of the PhoP/Q two component system, both of which are well-known regulatory systems involved in the regulation of expression of genes involved in Salmonella intracellular survival. Notably, the expression of a set of genes involved in bacterial LPS O-antigen and peptidoglycan biosyntheses and modifications showed decreases in the absence of STM0029. These experimental results indicate that the STM0029 gene product in S. Typhimurium contributes to resistance against host cell defense mechanisms, likely through regulation of genes involved in LPS O-antigen and peptidoglycan biosynthesis and modifications.

Influenzaviren müssen in die Wirtszelle aufgenommen werden, um dort ihr Genom freizusetzen und ihre Replikation mit Hilfe des Reproduktionsapparats der Zelle einzuleiten. Der komplexe Replikationszyklus der Influenza A Viren ist noch nicht vollständig verstanden. Er beginnt mit der Bindung des viralen Hämagglutinins (HA) an Sialinsäure (SA) auf der Zelloberfläche der Wirtszelle. In dieser Arbeit wurde die Virusbindung an Zellen mit unterschiedlicher Rezeptorkomposition verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass für die zelluläre Spezifität die Präsentation des Rezeptors innerhalb der Plasmamembran der Zelle eine größere Rolle spielt als die Struktur des Rezeptorglykans selbst. Des Weiteren deuten die Beobachtung sehr kleiner Kräfte und ein stufenweises Öffnen von Bindungen auf eine multivalente Interaktion hin. Multivalenz wird oft in biologischen Bindungsprozessen beobachtet und kann Bindungskräfte enorm verstärken. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden inhibitorische Nanopartikel entwickelt, die die natürliche Zelloberfläche als hochaffine Bindungsalternative imitieren. Verschiedenartige Nanopartikel wurden evaluiert und konnten die Virusaktivität um mehr als 80 % hemmen. Nach der Bindung wird das Virus durch Endozytose in die Zelle aufgenommen. Durch spezifische Virusmarkierung und gleichzeitiger Expression von zellulären Markerproteinen wurde der Transport einzelner Viren in lebenden Zellen verfolgt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Virus sowohl durch frühe, als auch durch späte Endosomen wandern muss, um sein Genom erfolgreich in das Zytoplasma zu entlassen. Außerdem verzögert das Virus die endosomale Ansäuerung um eine optimale Aufenthaltsdauer im Endosom und die lokalisierte Fusion in der Nähe des Zellkerns zu gewährleisten. Pharmakologisches Eingreifen in diese Prozesse konnte zudem weitere kritische Faktoren identifizieren, die die Effizienz der Virusinfektion stark beeinflussen., Influenza virus must enter a host cell to deliver its genome, use the cells reproductive machinery and eventually initiate its replication. The replication cycle of influenza A virus is very complex and still not fully understood. It generally starts with binding of the viral protein hemagglutinin (HA) to its cellular receptor sialic acid (SA). In this work, virus-cell attachment forces were investigated at the single molecule level using intact virus binding to living cells, a set-up that closely mimics the in vivo situation. Cells of different surface SA composition were compared. It could be shown that the unique presentation of the ligand within the cells plasma membrane, rather than the structure of the receptor-glycan itself, strongly affects cellular specificity. The low binding forces as well as the observation of stepwise unbinding events suggest a multivalent interaction type. Based on this finding, inhibitory nanoparticles mimicking the cell surface were constructed. Different particles were evaluated and shown to efficiently inhibit virus infection by ≥ 80 %. Since many molecular details of multivalent interactions remain poorly understood parameters such as ligand spacing and presentation were varied and revealed that the density of ligands as well as the interacting surface plays critical roles for virus inhibition. Upon attachment, the virus enters the cell by endocytosis. Virus trafficking was followed at the single-virus level in living cells. The kinetics of virus transport were visualized using fluorescent marker proteins in combination with specific virus labeling. It was found that the virus needs to progress through early and late endosomal compartments in order to efficiently uncoat and release its genome. Further, the virus delays the endosomal acidification to ensure optimal residence time and fusion in the region close to the host cell nucleus. Drug treatment furthermore unraveled critical factors influencing viral infection efficiency.

Im Kampf gegen eine Virusinfektion spielen CD8+ T Zellen des adaptiven Immunsystems eine besondere Rolle. Sie patroullieren im Körper und entdecken spezifische Virusepitope, welche mittels MHC Klasse I Molekülen auf der Oberfläche infizierter Zellen präsentiert werden. Wird eine virus-infizierte Zelle erkannt, kann diese schnell und effizient eliminiert. Für die Generierung viraler Peptide, welche auf MHC Klasse I Komplexe geladen werden, ist das Ubiquitin-Proteasom-System von essentieller Bedeutung. Kürzlich wurden weitere Funktionen des Immunoproteasoms aufgedeckt wie zum Beispiel der Schutz gegen oxidativen Stress. Innerhalb der vorliegenden Arbeit konnte die Fähigkeit des Immunoproteasoms gegen eine Akkumulation oxidativ geschädigter Proteine zu schützen mit der Generierung von MHC Klasse I Liganden kombiniert und neu interpretiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass während einer Virusinfektion in Nicht-Immunzellen die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies durch die alternative NADPH Oxidase Nox4 eine bedeutende Rolle spielt. Die Aktivierung von Nox4 resultiert in der Akkumulation oxidativ geschädigter Proteine. Innerhalb von zwei Stunden nach dem Eintreten von Viruspartikeln in die Zellen wurden strukturelle Virusproteine oxidiert und anschließend ubiquityliert. Die gleichzeitige, virus-induzierte Expression von Immunoproteasomen führte zu einem schnellen und effizienten Abbau ubiquitylierter Virusantigene. Infolgedessen konnten immundominante Virusepitope vermehrt freigesetzt werden. Folglich wurde ein soweit unbekannter Mechanismus gefunden, welcher Substrate für das Proteasom zur Generierung von MHC Klasse I Liganden bereitstellt. Zusammenfassend konnte innerhalb dieser Arbeit gezeigt werden, dass das Immunoproteasom den Schutz vor oxidativen Stress mit der Generierung antigener Peptide verbindet, wodurch eine effektive adaptive Immunantwort etabliert werden kann., An efficient immune control of virus infection is predominantly mediated by CD8+ T cells which patrol through the body and eliminate infected cells. Infected cells are recognized when they present viral antigenic peptides on their surface via MHC class I molecules. To make antigenic peptides available for loading on MHC class I complexes, the ubiquitin proteasome system plays a crucial role. Moreover, the induction of the i-proteasome is known to support the generation of MHC class I ligands. Recently, new functions of the i-proteasome have been discovered. Evidence is increasing that the i-proteasome is involved in the protection of cells against oxidative stress. Within this thesis the characteristic of the i-proteasome to protect cells against the accumulation of oxidant-damaged proteins could be linked to its role in improving the generation of MHC class I ligands. It could be demonstrated that during a virus infection in non-immune cells the production of reactive oxygen species by the alternative NADPH oxidase Nox4 is of critical importance resulting in the accumulation of potentially toxic oxidant-damaged proteins. Indeed, within two hours of infection structural virus proteins were oxidized and subsequently poly-ubiquitylated. The concomitant formation of i-proteasomes led to a rapid and efficient degradation of ubiquitylated virus antigens thereby improving the liberation of immunodominant viral epitopes. In conclusion, a so far unknown mechanism to fuel proteasomal substrates into the MHC class I antigen presentation pathway has been revealed. A new protein pool consisting of exogenously delivered viral proteins provides proteasomal substrates in the very early phase of a virus infection. Within the scope of this thesis the i-proteasome has been shown to link the protection against oxidative stress, initiated directly by pathogen recognition, with the generation of antigenic peptides. Together, an effective adaptive immune response is triggered.

Bei der Kreuzpräsentation durch dendritische Zellen (DC) werden extrazelluläre Antigene in den MHC I-Präsentationsweg eingeschleust und CD8+ T-Zellen präsentiert. Bisher werden die kreuzpräsentierenden DC der Maus durch die Expression der Moleküle CD8 in der Milz und CD103 in der Peripherie abgegrenzt; der kreuzpräsentierende Subtyp primärer humaner DC war vor Beginn dieser Arbeit nicht bekannt. Innerhalb dieser Arbeit konnte erstmals eine durchflusszytometrische Färbung von XCR1 auf der Oberfläche von Zellen etabliert werden, wodurch demonstriert wurde, dass XCR1 auf 83 % der CD8+ und 4 % der CD8-CD4- DC der Milz exprimiert wird. Der Phänotyp der XCR1+ DC der Milz unterschied sich deutlich von dem der XCR1- DC. In Milzen von Batf3- und Irf 8-defizienten Mäusen konnten keine XCR1+ DC detektiert werden. Zudem wurde nach Applikation des Wachstumsfaktors Flt3 Ligand in C57BL/6 Mäusen der Anteil der XCR1+ DC signifikant erhöht. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Entwicklung der XCR1+ DC von diesen Faktoren abhängig ist. Funktionell waren die XCR1+ DC wesentlich effektiver in der Kreuzpräsentation von löslichen und zellassoziierten Antigenen. Damit kann XCR1 als Oberflächenmarker verwendet werden, um murine kreuzpräsentierende DC zu kennzeichnen. Um herauszufinden, ob XCR1+ DC auch im Menschen existieren, wurde die Expression von XCR1 auf Zellen des humanen peripheren Blutes anhand von qPCR und Durchflusszytometrie untersucht. Ausschließlich CD141+ DC exprimierten XCR1-mRNA und -Protein. Durch die Etablierung einer effektiven Sortierungsstrategie zur Isolierung aller DC-Subtypen konnte erstmals gezeigt werden, dass die CD141+ DC den einzigen effektiven kreuzpräsentierenden DC-Subtyp des Blutes darstellen. XCR1 ist somit auch im humanen System spezifisch auf kreuzpräsentierenden DC exprimiert. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass es sich bei den XCR1+ DC der Maus und des Menschen um funktionelle Homologe handelt., Cross-presentation by dendritic cells (DC) is a process, in which extracellular antigen is shunted into the MHC I presentation pathway and presented to CD8+ T cells. So far, murine cross-presenting DC were defined by the expression of the molecules CD8 in the spleen and CD103 in the periphery. However, cross-presenting DC have not been characterized in humans. In this work, a flow cytometric staining of XCR1 was established for the first time which allowed the detection of XCR1 on 83 % of CD8+ DC and 4 % of CD8-CD4- DC of the spleen. The phenotype of splenic XCR1+ DC differed markedly from XCR1- DC. Both, Batf3- and Irf 8-deficient mouse strains showed an absence of splenic XCR1+ DC. Furthermore, the frequency of XCR1+ DC was significantly increased in spleens of C57BL/6 mice treated with Flt3 ligand. These results demonstrate that the development of XCR1+ DC is dependent of these factors. To test the ability to cross-present antigen, all splenic conventional DC were sorted according to their expression of CD8 and XCR1. XCR1+ DC were most efficient in cross-presenting soluble and cell-associated antigen to CD8+ T cells. Therefore, XCR1 is the first surface marker that can be used to delineate murine cross-presenting DC and the development of this distinct DC population is strongly dependent on Batf3, IRF-8 and Flt3 ligand. To explore if XCR1+ DC also exist in men, cell populations of human peripheral blood were analysed for their XCR1-expression using qPCR and flow cytometric staining. Only CD141+ DC express XCR1 mRNA and protein. An efficient sorting strategy for the isolation of all DC subsets was established to compare their ability to cross-present soluble and cell-associated antigen. CD141+ DC were the only effective cross-presenting DC subtype. Therefore, XCR1 is also in the human a receptor expressed specifically on cross-presenting DC. In summary, the data show that the XCR1+ DC of mouse and men are functional homologues.

Helmintheninfektionen induzieren in ihren Wirten Typ 2 (Th2) Immunantworten, welche parasitäre Larvenstadien hemmen und/oder zur Abstoßung von intestinalen Würmern führen. Th2-Antworten können auch gegenüber Umweltallergenen ausgebildet werden und allergische Reaktionen vermitteln. Mastzellen (MZ) spielen eine herausragende Rolle für die Wirtsantwort gegen Parasiten. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass eine Infektion von MZ-defizienten Mäusen mit Helminthen zu einer reduzierten Produktion von IL-25, IL-33 und TSLP, einer beeinträchtigten Etablierung von Th2 Immunantworten und einer erhöhten Wurmlast führt. Diese Parameter konnten allerdings nach einem erfolgreichen Transfer von Knochenmark aus Wildtypmäusen wiederhergestellt werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt somit eine wichtige Funktion von Mastzellen für die Initialisierung von Th2 Immunantworten. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass ein Cystein-Protease-Inhibitor - AvCystatin sowohl Parameter von Atemwegsentzündung und -hyperreaktivität als auch Lieschgraspollen (Phl p 5b)-spezifische Immunantworten in einem klinisch relevanten Mausmodell für Atemwegsentzündung inhibiert. Gleichzeitig führte die Behandlung mit AvCystatin zu einem Anstieg von IL-10 und erhöhten Frequenzen von CD4+CD25+Foxp3+ T Zellen. Die in vivo Effekte von AvCystatin wurden unabhängig von der Protease-inhibitorischen Aktivität des Immunmodulators oder dessen Fähigkeit zur Oligomerisation vermittelt. AvCystatin unterdrückte zudem die Allergen-spezifische Produktion von IL-13 und induzierte in vitro unter Verwendung mononukleärer Zellen aus dem peripheren Blut (PBMCs) von Graspollen allergischen Patienten einen IFN-gamma vermittelten Th1 shift. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der Arbeit zu einem besseren Verständnis für die frühen Ereignisse von Th2 Immunantworten bei und zeigen, dass Helminthenmoleküle Bystandereffekte auf Immunantworten vermitteln können, die gegen andere Antigene gerichtet sind., Helminth infections induce protective type 2 (Th2) immune responses in the host leading to arrested larval development and/or intestinal worm expulsion. Moreover, Th2 immune responses are initiated against harmless environmental allergens and mediate development of allergic disease. Among multiple mechanisms implicated in host responses to parasites and allergens, mast cells (MCs) play a pivotal role. The present study shows that MC-deficient mouse strains following infection with two gastrointestinal helminths had dramatically reduced early production of the tissue-derived cytokines IL-25, IL-33, and TSLP, which resulted in impaired induction of Th2 immune responses as well as increased parasite burden. These parameters were restored after transfer of WT bone marrow. These data reveal an important role for MCs in orchestrating type 2 immune responses. Parasites have developed various strategies to modulate the immune system via induction of a range of regulatory mechanisms. In this study AvCystatin, the filarial cysteine inhibitor, was found to inhibit airway inflammation and hyperreactivity induced by a clinically relevant allergen of timothy grass pollen (Phl p 5b). AvCystatin increased levels of the regulatory cytokine IL-10 and total numbers of CD4+CD25+Foxp3+ T cells. The immunomodulatory effect in vivo was found to be independent of AvCystatin’s protease inhibitor activity or oligomerization. Finally, AvCystatin suppressed allergen-specific production of IL-13 and created a shift towards Th1 immunity by increased levels IFN-gamma of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from grass pollen allergic patients. The findings contribute to a better understanding of the early events that dictate the priming of type 2 immune responses. Furthermore, helminth product-induced suppression may also have effects on bystander responses to unrelated antigens, thus, suggesting a promising preventive and therapeutic concept in the treatment of aberrant inflammations.

Im Kampf gegen eine Virusinfektion spielen CD8+ T Zellen des adaptiven Immunsystems eine besondere Rolle. Sie patroullieren im Körper und entdecken spezifische Virusepitope, welche mittels MHC Klasse I Molekülen auf der Oberfläche infizierter Zellen präsentiert werden. Wird eine virus-infizierte Zelle erkannt, kann diese schnell und effizient eliminiert. Für die Generierung viraler Peptide, welche auf MHC Klasse I Komplexe geladen werden, ist das Ubiquitin-Proteasom-System von essentieller Bedeutung. Kürzlich wurden weitere Funktionen des Immunoproteasoms aufgedeckt wie zum Beispiel der Schutz gegen oxidativen Stress. Innerhalb der vorliegenden Arbeit konnte die Fähigkeit des Immunoproteasoms gegen eine Akkumulation oxidativ geschädigter Proteine zu schützen mit der Generierung von MHC Klasse I Liganden kombiniert und neu interpretiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass während einer Virusinfektion in Nicht-Immunzellen die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies durch die alternative NADPH Oxidase Nox4 eine bedeutende Rolle spielt. Die Aktivierung von Nox4 resultiert in der Akkumulation oxidativ geschädigter Proteine. Innerhalb von zwei Stunden nach dem Eintreten von Viruspartikeln in die Zellen wurden strukturelle Virusproteine oxidiert und anschließend ubiquityliert. Die gleichzeitige, virus-induzierte Expression von Immunoproteasomen führte zu einem schnellen und effizienten Abbau ubiquitylierter Virusantigene. Infolgedessen konnten immundominante Virusepitope vermehrt freigesetzt werden. Folglich wurde ein soweit unbekannter Mechanismus gefunden, welcher Substrate für das Proteasom zur Generierung von MHC Klasse I Liganden bereitstellt. Zusammenfassend konnte innerhalb dieser Arbeit gezeigt werden, dass das Immunoproteasom den Schutz vor oxidativen Stress mit der Generierung antigener Peptide verbindet, wodurch eine effektive adaptive Immunantwort etabliert werden kann., An efficient immune control of virus infection is predominantly mediated by CD8+ T cells which patrol through the body and eliminate infected cells. Infected cells are recognized when they present viral antigenic peptides on their surface via MHC class I molecules. To make antigenic peptides available for loading on MHC class I complexes, the ubiquitin proteasome system plays a crucial role. Moreover, the induction of the i-proteasome is known to support the generation of MHC class I ligands. Recently, new functions of the i-proteasome have been discovered. Evidence is increasing that the i-proteasome is involved in the protection of cells against oxidative stress. Within this thesis the characteristic of the i-proteasome to protect cells against the accumulation of oxidant-damaged proteins could be linked to its role in improving the generation of MHC class I ligands. It could be demonstrated that during a virus infection in non-immune cells the production of reactive oxygen species by the alternative NADPH oxidase Nox4 is of critical importance resulting in the accumulation of potentially toxic oxidant-damaged proteins. Indeed, within two hours of infection structural virus proteins were oxidized and subsequently poly-ubiquitylated. The concomitant formation of i-proteasomes led to a rapid and efficient degradation of ubiquitylated virus antigens thereby improving the liberation of immunodominant viral epitopes. In conclusion, a so far unknown mechanism to fuel proteasomal substrates into the MHC class I antigen presentation pathway has been revealed. A new protein pool consisting of exogenously delivered viral proteins provides proteasomal substrates in the very early phase of a virus infection. Within the scope of this thesis the i-proteasome has been shown to link the protection against oxidative stress, initiated directly by pathogen recognition, with the generation of antigenic peptides. Together, an effective adaptive immune response is triggered.

Influenzaviren müssen in die Wirtszelle aufgenommen werden, um dort ihr Genom freizusetzen und ihre Replikation mit Hilfe des Reproduktionsapparats der Zelle einzuleiten. Der komplexe Replikationszyklus der Influenza A Viren ist noch nicht vollständig verstanden. Er beginnt mit der Bindung des viralen Hämagglutinins (HA) an Sialinsäure (SA) auf der Zelloberfläche der Wirtszelle. In dieser Arbeit wurde die Virusbindung an Zellen mit unterschiedlicher Rezeptorkomposition verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass für die zelluläre Spezifität die Präsentation des Rezeptors innerhalb der Plasmamembran der Zelle eine größere Rolle spielt als die Struktur des Rezeptorglykans selbst. Des Weiteren deuten die Beobachtung sehr kleiner Kräfte und ein stufenweises Öffnen von Bindungen auf eine multivalente Interaktion hin. Multivalenz wird oft in biologischen Bindungsprozessen beobachtet und kann Bindungskräfte enorm verstärken. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden inhibitorische Nanopartikel entwickelt, die die natürliche Zelloberfläche als hochaffine Bindungsalternative imitieren. Verschiedenartige Nanopartikel wurden evaluiert und konnten die Virusaktivität um mehr als 80 % hemmen. Nach der Bindung wird das Virus durch Endozytose in die Zelle aufgenommen. Durch spezifische Virusmarkierung und gleichzeitiger Expression von zellulären Markerproteinen wurde der Transport einzelner Viren in lebenden Zellen verfolgt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Virus sowohl durch frühe, als auch durch späte Endosomen wandern muss, um sein Genom erfolgreich in das Zytoplasma zu entlassen. Außerdem verzögert das Virus die endosomale Ansäuerung um eine optimale Aufenthaltsdauer im Endosom und die lokalisierte Fusion in der Nähe des Zellkerns zu gewährleisten. Pharmakologisches Eingreifen in diese Prozesse konnte zudem weitere kritische Faktoren identifizieren, die die Effizienz der Virusinfektion stark beeinflussen., Influenza virus must enter a host cell to deliver its genome, use the cells reproductive machinery and eventually initiate its replication. The replication cycle of influenza A virus is very complex and still not fully understood. It generally starts with binding of the viral protein hemagglutinin (HA) to its cellular receptor sialic acid (SA). In this work, virus-cell attachment forces were investigated at the single molecule level using intact virus binding to living cells, a set-up that closely mimics the in vivo situation. Cells of different surface SA composition were compared. It could be shown that the unique presentation of the ligand within the cells plasma membrane, rather than the structure of the receptor-glycan itself, strongly affects cellular specificity. The low binding forces as well as the observation of stepwise unbinding events suggest a multivalent interaction type. Based on this finding, inhibitory nanoparticles mimicking the cell surface were constructed. Different particles were evaluated and shown to efficiently inhibit virus infection by ≥ 80 %. Since many molecular details of multivalent interactions remain poorly understood parameters such as ligand spacing and presentation were varied and revealed that the density of ligands as well as the interacting surface plays critical roles for virus inhibition. Upon attachment, the virus enters the cell by endocytosis. Virus trafficking was followed at the single-virus level in living cells. The kinetics of virus transport were visualized using fluorescent marker proteins in combination with specific virus labeling. It was found that the virus needs to progress through early and late endosomal compartments in order to efficiently uncoat and release its genome. Further, the virus delays the endosomal acidification to ensure optimal residence time and fusion in the region close to the host cell nucleus. Drug treatment furthermore unraveled critical factors influencing viral infection efficiency.

Bei der Kreuzpräsentation durch dendritische Zellen (DC) werden extrazelluläre Antigene in den MHC I-Präsentationsweg eingeschleust und CD8+ T-Zellen präsentiert. Bisher werden die kreuzpräsentierenden DC der Maus durch die Expression der Moleküle CD8 in der Milz und CD103 in der Peripherie abgegrenzt; der kreuzpräsentierende Subtyp primärer humaner DC war vor Beginn dieser Arbeit nicht bekannt. Innerhalb dieser Arbeit konnte erstmals eine durchflusszytometrische Färbung von XCR1 auf der Oberfläche von Zellen etabliert werden, wodurch demonstriert wurde, dass XCR1 auf 83 % der CD8+ und 4 % der CD8-CD4- DC der Milz exprimiert wird. Der Phänotyp der XCR1+ DC der Milz unterschied sich deutlich von dem der XCR1- DC. In Milzen von Batf3- und Irf 8-defizienten Mäusen konnten keine XCR1+ DC detektiert werden. Zudem wurde nach Applikation des Wachstumsfaktors Flt3 Ligand in C57BL/6 Mäusen der Anteil der XCR1+ DC signifikant erhöht. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Entwicklung der XCR1+ DC von diesen Faktoren abhängig ist. Funktionell waren die XCR1+ DC wesentlich effektiver in der Kreuzpräsentation von löslichen und zellassoziierten Antigenen. Damit kann XCR1 als Oberflächenmarker verwendet werden, um murine kreuzpräsentierende DC zu kennzeichnen. Um herauszufinden, ob XCR1+ DC auch im Menschen existieren, wurde die Expression von XCR1 auf Zellen des humanen peripheren Blutes anhand von qPCR und Durchflusszytometrie untersucht. Ausschließlich CD141+ DC exprimierten XCR1-mRNA und -Protein. Durch die Etablierung einer effektiven Sortierungsstrategie zur Isolierung aller DC-Subtypen konnte erstmals gezeigt werden, dass die CD141+ DC den einzigen effektiven kreuzpräsentierenden DC-Subtyp des Blutes darstellen. XCR1 ist somit auch im humanen System spezifisch auf kreuzpräsentierenden DC exprimiert. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass es sich bei den XCR1+ DC der Maus und des Menschen um funktionelle Homologe handelt., Cross-presentation by dendritic cells (DC) is a process, in which extracellular antigen is shunted into the MHC I presentation pathway and presented to CD8+ T cells. So far, murine cross-presenting DC were defined by the expression of the molecules CD8 in the spleen and CD103 in the periphery. However, cross-presenting DC have not been characterized in humans. In this work, a flow cytometric staining of XCR1 was established for the first time which allowed the detection of XCR1 on 83 % of CD8+ DC and 4 % of CD8-CD4- DC of the spleen. The phenotype of splenic XCR1+ DC differed markedly from XCR1- DC. Both, Batf3- and Irf 8-deficient mouse strains showed an absence of splenic XCR1+ DC. Furthermore, the frequency of XCR1+ DC was significantly increased in spleens of C57BL/6 mice treated with Flt3 ligand. These results demonstrate that the development of XCR1+ DC is dependent of these factors. To test the ability to cross-present antigen, all splenic conventional DC were sorted according to their expression of CD8 and XCR1. XCR1+ DC were most efficient in cross-presenting soluble and cell-associated antigen to CD8+ T cells. Therefore, XCR1 is the first surface marker that can be used to delineate murine cross-presenting DC and the development of this distinct DC population is strongly dependent on Batf3, IRF-8 and Flt3 ligand. To explore if XCR1+ DC also exist in men, cell populations of human peripheral blood were analysed for their XCR1-expression using qPCR and flow cytometric staining. Only CD141+ DC express XCR1 mRNA and protein. An efficient sorting strategy for the isolation of all DC subsets was established to compare their ability to cross-present soluble and cell-associated antigen. CD141+ DC were the only effective cross-presenting DC subtype. Therefore, XCR1 is also in the human a receptor expressed specifically on cross-presenting DC. In summary, the data show that the XCR1+ DC of mouse and men are functional homologues.

Helmintheninfektionen induzieren in ihren Wirten Typ 2 (Th2) Immunantworten, welche parasitäre Larvenstadien hemmen und/oder zur Abstoßung von intestinalen Würmern führen. Th2-Antworten können auch gegenüber Umweltallergenen ausgebildet werden und allergische Reaktionen vermitteln. Mastzellen (MZ) spielen eine herausragende Rolle für die Wirtsantwort gegen Parasiten. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass eine Infektion von MZ-defizienten Mäusen mit Helminthen zu einer reduzierten Produktion von IL-25, IL-33 und TSLP, einer beeinträchtigten Etablierung von Th2 Immunantworten und einer erhöhten Wurmlast führt. Diese Parameter konnten allerdings nach einem erfolgreichen Transfer von Knochenmark aus Wildtypmäusen wiederhergestellt werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt somit eine wichtige Funktion von Mastzellen für die Initialisierung von Th2 Immunantworten. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass ein Cystein-Protease-Inhibitor - AvCystatin sowohl Parameter von Atemwegsentzündung und -hyperreaktivität als auch Lieschgraspollen (Phl p 5b)-spezifische Immunantworten in einem klinisch relevanten Mausmodell für Atemwegsentzündung inhibiert. Gleichzeitig führte die Behandlung mit AvCystatin zu einem Anstieg von IL-10 und erhöhten Frequenzen von CD4+CD25+Foxp3+ T Zellen. Die in vivo Effekte von AvCystatin wurden unabhängig von der Protease-inhibitorischen Aktivität des Immunmodulators oder dessen Fähigkeit zur Oligomerisation vermittelt. AvCystatin unterdrückte zudem die Allergen-spezifische Produktion von IL-13 und induzierte in vitro unter Verwendung mononukleärer Zellen aus dem peripheren Blut (PBMCs) von Graspollen allergischen Patienten einen IFN-gamma vermittelten Th1 shift. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der Arbeit zu einem besseren Verständnis für die frühen Ereignisse von Th2 Immunantworten bei und zeigen, dass Helminthenmoleküle Bystandereffekte auf Immunantworten vermitteln können, die gegen andere Antigene gerichtet sind., Helminth infections induce protective type 2 (Th2) immune responses in the host leading to arrested larval development and/or intestinal worm expulsion. Moreover, Th2 immune responses are initiated against harmless environmental allergens and mediate development of allergic disease. Among multiple mechanisms implicated in host responses to parasites and allergens, mast cells (MCs) play a pivotal role. The present study shows that MC-deficient mouse strains following infection with two gastrointestinal helminths had dramatically reduced early production of the tissue-derived cytokines IL-25, IL-33, and TSLP, which resulted in impaired induction of Th2 immune responses as well as increased parasite burden. These parameters were restored after transfer of WT bone marrow. These data reveal an important role for MCs in orchestrating type 2 immune responses. Parasites have developed various strategies to modulate the immune system via induction of a range of regulatory mechanisms. In this study AvCystatin, the filarial cysteine inhibitor, was found to inhibit airway inflammation and hyperreactivity induced by a clinically relevant allergen of timothy grass pollen (Phl p 5b). AvCystatin increased levels of the regulatory cytokine IL-10 and total numbers of CD4+CD25+Foxp3+ T cells. The immunomodulatory effect in vivo was found to be independent of AvCystatin’s protease inhibitor activity or oligomerization. Finally, AvCystatin suppressed allergen-specific production of IL-13 and created a shift towards Th1 immunity by increased levels IFN-gamma of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from grass pollen allergic patients. The findings contribute to a better understanding of the early events that dictate the priming of type 2 immune responses. Furthermore, helminth product-induced suppression may also have effects on bystander responses to unrelated antigens, thus, suggesting a promising preventive and therapeutic concept in the treatment of aberrant inflammations.

Der parasitische Nematode Acanthocheilonema viteae kann die Immunantwort seines Wirtes abschwächen, indem er in diesem die Produktion immun-regulatorischer Cytokine Interleukin-10 (IL10) induziert. In dieser Arbeit entwickelte ich spezifische mathematische Modelle um die Mechanismen der IL10 Regulation zu erforschen. Die Annahmen des Modells waren: 1) Av17, ein immun-modulatorisches Protein von A. viteae, zur Phosphorylierung der MAP-Kinasen ERK und p38 führt; 2) Av17 induzierte IL10 ist ERK und p38 abhängig. Beide Annahmen waren in Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen zur Aktivierung von ERK and p38. Weiter habe ich mehrere Signalregulationsmodelle getestet und eine Methode entwickelt, die theoretische und experimentelle Ansätze kombiniert. Von hier aus konnte ich ein Modell auswählen, dass unabhängige experimentelle Daten korrekt vorhersagt. Modelle selection identifizierten die Duale-Spezifizität Kinasen (DUSP) als integrale Rückkopplungsregulatoren dieses Systems. Eine Sensitivitätsanalyse zeigte, dass p38 durch DUSP, ERK beeinflusst, das Gegenteil aber nicht. Dieser Befund legt eine autokrine Rückkopplung der Signalkomponenten nahe, die auch experimentell bestätigt werden konnte. Allgemein müssen die immunoregulatorischen Mechanismen im Wirt robust gegen Störungen, z.B. durch Parasiten wie A. viteae, sein. Dies veranlasste mich mit Hilfe eines Monte-Carlo Ansatzes die Robustheit der ausgewählten Modelle gegenüber Variationen zu testen. Ich verglich das zuvor ausgewählte Modell und ein Modell mit transienter Rückkopplung. Das Resultat ließ darauf schließen, dass in diesem Fall die integrale Rückkopplung robuster gegenüber Variationen ist als eine transiente Rückkopplung. Insgesamt verbindet der systembiologische Ansatz meiner Arbeit erfolgreich theoretisches Wissen mit experimenteller Expertise um einen Mechanismus vorzuschlagen, der beschreibt, wie der Parasit A. viteae mit Makrophagen seines Wirtes interagiert, um IL10 Exprimierung zu induzieren., The parasitic nematode Acanthocheilonema viteae can downregulate the immune response of its host by inducing immunoregulatory cytokines such as interleukin-10 (IL10). In this thesis, I developed specific mathematical models to investigate IL10 regulation mechanisms. These models assumed that Av17, an immunomodulatory protein secreted by A.viteae, leads to the Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK) ERK and p38 phosphorylation and that IL10 transient expression was dependent on the activation of both MAP kinases. These assumptions were validated with experimental data on ERK and p38 activation. Further, I tested alternative ways of signalling regulation and developed a method of model selection that combines the theoretical predictions with experimental evidences. Model selection identified dual specificity phosphatase (DUSP) as integral feedback regulators in this system. Dedicated experiments showed that DUSP1 was responsible for regulation of ERK and p38 phosphorylation and controlled IL10 expression in this system. Furthermore, a sensitivity analysis suggested that p38 affects ERK via DUSP, but ERK does not affect p38, revealing a negative feedback between the components. This model prediction was validated experimentally. Generally, host immune regulation mechanisms should be robust against variations, e.g., by parasites like A. viteae. This prompted me to test the robustness of the selected model against noise, by comparing it with a transient feedback model. The results suggest that the integral feedback model is more robust against noise than the transient feedback model, in the case under study. In summary, based on a systems biology approach that successfully combines theoretical and experimental expertise, this thesis proposes a mechanism that describes how the parasite A. viteae interacts with its host macrophages to induce IL10 expression.

Plasmodien spp. sind obligat intrazellulär lebende Parasiten, welche einen evolutionär konservierten aktinabhängigen molekularen Motor für die Fortbewegung und den Wirtszellein- und -austritt nutzen. In dieser Arbeit werden die Aktinregulatoren Adenylyl- Zyklase- assoziierte Protein (C-CAP), Profilin sowie die Aktin depolymerizierenden Faktoren 1 und 2 (ADF1, ADF2) in Plasmodium berghei charakterisiert. Die Geninaktivierung von C-CAP besitzt keinen Einfluss auf die Entwicklung von pathogenen Blutstadien. C-cap(-) Ookineten bewegen sich jedoch deutlich langsamer, sind aber in der Lage den invertebraten Wirt zu infizieren. Defekte treten während der extrazellulären Replikationsphase im Mosquito auf und führen zu Abbruch des Lebenszykluses. Die erfolgreiche Komplementierung der Defekte mit dem orthologen Gen aus Cryptosporidium parvum CpC-CAP bestätigt die funktionale Redundanz zwischen beiden Proteinen. Profilin, als ein weiteres G-Aktin bindendes Protein, ist hingegen nicht in der Lage die Defekte des c-cap(-) Parasiten auszugleichen. Mittels transgener Parasiten welche ein C-CAPmCherry Fusionsprotein exprimieren, wird das C-CAP Protein im Zytoplasma lokalisiert. Erstmals wird mit dieser Arbeit ein G-Aktin bindendes Protein, C-CAP beschrieben, welches eine essentielle Funktion während der Oozystenreifung in Plasmodium berghei besitzt. Die Transkription der Aktinregulatoren Profilin, ADF1 und ADF2 wird in Sporozoiten drastisch herunterreguliert und Profilin kann als Protein nicht mehr nachgewiesen werden. Um die Funktion von C-CAP und Profilin zu überprüfen, wurden beide Proteine spezifisch in Sporozoiten überexprimiert. Diese Parasiten sind nicht in der Lage die Speicheldrüsen des Wirtes zu besiedeln, was zum Abbruch des Lebenszykluses führt. Anhand dieser Ergebnisse entwickele ich ein „minimalistisches“ Model zur Beschreibung der Aktinregulation in Sporozoiten in welchem das ADF1 als regulatorisches Protein im Mittelpunkt steht., Plasmodium spp. are obligate intracellular parasites, which employ an conserved actin-dependent molecular motor machinery that facilitates their motility, host cell invasion and egress. In this work I report implications of the actin-regulators adenylyl cyclase-associated protein (C-CAP), profilin and actin depolymerization factor 1 and 2 (ADF1, ADF2) in distinct and previously unanticipated cellular processes during the life cycle of in the rodent malarial parasite Plasmodium berghei. Fluorescent tagging of the endogenous C-CAP genetic locus with mCherry revealed cytosolic distribution of the protein. Gene deletion demonstrates that the G-actin binding protein C-CAP is entirely dispensable for the pathogenic blood stages. Ookinetes show reduced motility, but are competent infecting the mosquito host. Defects emerging in the extracellular replication phase, leading to attenuation of oocyst maturation. Successful trans-species complementation with the C. parvum C-CAP ortholog, rescues the c-cap(-) phenotype and proves functional redundancy. The actin regulator profilin fails to rescue the defects of c-cap(-) parasites, despite sharing its actin sequestering activity with C-CAP. Taken together, C-CAP is the first G-actin sequestering protein of Plasmodium species that is not required for motility but performs essential functions during oocyst maturation. Characterization of the actin regulators profilin, ADF1 and ADF2 revealed dramatic transcriptional down-regulation and the absence of the profilin protein in sporozoites. To test whether G-actin binding proteins interfere with sporozoite functions, I ectopically overexpressed of profilin and C-CAP stage-specifically in sporozoites. This conducted to abolishment of salivary gland invasion and lifecycle arrest. Based on these unexpected findings and the available literature data, I developed a “minimalistic model” for actin regulation in sporozoites that predicts ADF1 as the main actin-turnover regulating factor.

Der obligat intrazelluläre Parasit Toxoplasma gondii ist der Erreger der Toxoplasmose, und dient zugleich als wichtiger Modellorganismus für weitere Human- und Tierpathogene, wie z.B. Plasmodium oder Eimeria. Die Vermehrung von T. gondii erfordert eine effiziente Biosynthese von Phospholipiden für die Herstellung neuer Membranen, was durch die de novo Synthese durch den Parasiten, und/oder den Import von Lipiden aus der umgebenden Wirtszelle gewährleistet werden kann. Während der Parasit zahlreiche Möglichkeiten für Synthese oder Import von PtdEtn und PtdSer verwendet, scheint die Biosynthese des abundantesten Membranlipids PtdCho auschließlich über den CDP-Cholin Weg zu erfolgen. Dieser erstreckt sich in T. gondii über 3 zelluläre Kompartimente, mit einer cytosolischen Cholin-Kinase (TgCK), einer im Zellkern lokalisierenden Cholin-Cytidylyltransferase (TgCCT) und einer Cholin-Phosphotransferase (TgCPT) im ER. Anders als die substrat-spezifische Ethanolamin-Kinase (TgEK), kann TgCK neben Cholin außerdem Ethanolamin phosphorylieren. TgCK zeigt eine geringe Affinität zu Cholin (Km ~0.77 mM), während eine verkürzte TgCK (TgCKS), welcher eine als Signalpeptid vorhergesagte N-terminale Sequenz (20 Aminosäuren) fehlt, eine etwa 3-fach höhere Aktivität aufweist (Km ~0.26 mM). Während jedoch die Wildtyp-TgCK cytosolische Cluster in Toxoplasma bildet, zeigt die verkürzte TgCK eine gleichmäßigere cytosolische Lokalisierung. Wir schlussfolgern daraus, dass der hydrophobe N-Terminus nicht notwendig ist für eine funktionale TgCK, sondern eine strukturelle Funktion bei der Protein-Lokalisierung hat. Eine konitionelle Mutante, in welcher der TgCK Promoter gegen den Tetracyclin-regulierbaren Promoter pTetO7Sag4 ausgetauscht wurde (Deltatgcki), zeigt erstaunlicherweise normales Wachstum und PtdCho Biosynthese. Die TgCK Aktivität und die daraus resultierende PtdCho Synthese sind nur zu ~30% regulierbar. Unsere Ergebnisse deuten auf die Verwendung eines alternativen Startcodons bzw. P, Toxoplasma gondii is an obligate intracellular apicomplexan parasite that causes life-threatening disease in neonates and in immunocompromised people. Successful replication of Toxoplasma requires substantial membrane biogenesis, which must be satisfied irrespective of the host-cell milieu. Like in other eukaryotes, the two most abundant phospholipids in the T. gondii membrane are phosphatidylcholine (PtdCho) and phosphatidylethanolamine (PtdEtn). Bioinformatics and precursor labeling analyses confirm their synthesis via the CDP-choline and CDP-ethanolamine pathway, respectively. This work shows that the 3-step CDP-choline pathway, involving the activities of TgCK, TgCCT and TgCPT, localizes to the cytosol, nucleus and ER membrane, respectively. The initial reaction is catalyzed by a dual-specificity choline kinase (TgCK, ~70-kDa), capable of phosphorylating choline as well as ethanolamine. The purified full-length TgCK displayed a low affinity for choline (Km ~0.77 mM). TgCK harbors a unique N-terminal hydrophobic peptide that is required for the formation of enzyme oligomers in the parasite cytosol but not for activity. The displacement of the TgCK promoter in a conditional mutant of T. gondii (deltatgcki) attenuated the enzyme expression by ~80%. Unexpectedly, the ?tgcki mutant was not impaired in intracellular growth, and exhibited a normal PtdCho biogenesis. To recompense for the loss of full-length TgCK, the mutant appears to make use of an alternative promoter and/or start codon, resulting in the expression of a shorter but active TgCK isoform identified by the anti-TgCK antiserum, which correlated with its persistent choline kinase activity. Accordingly, the ?tgcki showed an expected incorporation of choline into PtdCho, and susceptibility to dimethylethanolamine (a choline analog). Interestingly, the conditional mutant displayed a regular growth in off state despite a 25% decline in PtdCho content, which suggests a compositional flexibility in T. gondii mem

Toxoplasma gondii weist eine weltweite Verbreitung auf und kann fast alle Wirbeltiere, vor allem Vögel und Menschen infizieren. Felide sind Endwirte von T. gondii, welche das infektiöse und umweltresistente Oozysten-Stadium ausscheiden können. T. gondii kann auch ohne sexuelle Vermehrung unterschiedlichste Zwischenwirte und Zwischenwirtspezies infizieren. Obwohl eine sexuelle Phase ein Teil des Lebenszyklus ist, werden rekombinierte Genotypen nur selten beobachtet. Dies ist ein Grund dafür, warum T. gondii eine klonale Populationsstruktur erkennen lässt. Während in Nordamerika und Europa drei klonale Genotypen (Typ I, II und III) dominieren, werden in Südamerika und Asien, neben den drei bekannten auch atypische und andere Genotypen beobachtet. Auch innerhalb der atypischen Genotypen lässt sich eine klonale Populationsstruktur erkennen. Die Linien I, II und III weisen Unterschiede in ihrer Virulenz für Mäuse auf. Typ-I-Stämme sind hochvirulent. Die Infektion mit nur einem Organismus führt bereits zum Tod. Klonale Typ-II- und Typ-III-Stämme sind avirulent für Mäuse. Nur Infektionen mit mehr als 103 Organismen führen zum Tod. In dieser Studie zeige ich, dass die Mehrzahl isolierter T. gondii-Oozysten dem Typ II zuzuordnen ist. Es wurde keine Typ-I-, dafür aber eine Typ-III-Infektion und vereinzelte Hinweise auf Mischinfektionen und nicht-kanonische T. gondii Genotypen beobachtet. Erstmalig kann gezeigt werden, dass aus einer Rekombination zwischen den Typen II und III genetisch unterschiedliche T. gondii in einer natürlich infizierten Katze entstanden sind. Die identifizierten nicht-kanonischen T. gondii Klone weisen unterschiedliche, meist hohe Virulenz im Mausmodell auf. Eine geringe Anzahl von T. gondii-DNA Proben von humanen Toxoplasmose-Fällen deutet auf eine Infektion mit T. gondii des Typs II hin. Ich zeige mit dieser Studie, dass sexuelle Rekombination von T. gondii in Deutschland möglich ist, und diese zur Entstehung von hochvirulenten T. gondii führen kann., Toxoplasma gondii is a protozoan parasite that can infect almost all warm-blooded animals, including birds and humans. The definitive host is the cat which excretes the highly infectious and environmental resistant oocyst stage. Equally important for the spread of T. gondii is the transmission of T. gondii by ingestion of contaminated food (prey) between host species. Sexual recombination is a rare event observed in T. gondii. This is one of the reasons why a clonal population structure of T. gondii is observed. In Europe and North America the majority of genotypes (types) of T. gondii are members of only three clonal types, designated type I, type II and type III. In South America and Asia, T. gondii is shown to have an increased genetic diversity with a high prevalence of atypical genotypes. However, even within those atypical genotypes, a clonal population structure can be observed. More importantly, mouse virulence of types I, II and III differ markedly. While infection with T. gondii type I is always lethal in mice, infections with 104–106 parasites of type II or type III are needed to have the same effect in mice. This study shows that the majority of cats in Germany excrete T. gondii oocysts of type II. We have not observed any type I T. gondii, but show that type III and, importantly, mixed type infection as well as non-canonical T. gondii are present in Germany. For the first time we demonstrate that a sexual cross between T. gondii type II and type III in a single, naturally infected cat occurred in Germany resulting in excretion of many genetically different non-canonical T. gondii. Most of the identified non-canonical T. gondii show a high virulence in mice. The RFLP-typing analysis of a limited number of T. gondii-DNA isolated from human samples revealed only alleles of T. gondii type II. I show that genetic recombination of different T. gondii types in Germany can lead to a higher genetic diversity and generation of highly mouse-virulent T. gondii.

Der parasitische Nematode Acanthocheilonema viteae kann die Immunantwort seines Wirtes abschwächen, indem er in diesem die Produktion immun-regulatorischer Cytokine Interleukin-10 (IL10) induziert. In dieser Arbeit entwickelte ich spezifische mathematische Modelle um die Mechanismen der IL10 Regulation zu erforschen. Die Annahmen des Modells waren: 1) Av17, ein immun-modulatorisches Protein von A. viteae, zur Phosphorylierung der MAP-Kinasen ERK und p38 führt; 2) Av17 induzierte IL10 ist ERK und p38 abhängig. Beide Annahmen waren in Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen zur Aktivierung von ERK and p38. Weiter habe ich mehrere Signalregulationsmodelle getestet und eine Methode entwickelt, die theoretische und experimentelle Ansätze kombiniert. Von hier aus konnte ich ein Modell auswählen, dass unabhängige experimentelle Daten korrekt vorhersagt. Modelle selection identifizierten die Duale-Spezifizität Kinasen (DUSP) als integrale Rückkopplungsregulatoren dieses Systems. Eine Sensitivitätsanalyse zeigte, dass p38 durch DUSP, ERK beeinflusst, das Gegenteil aber nicht. Dieser Befund legt eine autokrine Rückkopplung der Signalkomponenten nahe, die auch experimentell bestätigt werden konnte. Allgemein müssen die immunoregulatorischen Mechanismen im Wirt robust gegen Störungen, z.B. durch Parasiten wie A. viteae, sein. Dies veranlasste mich mit Hilfe eines Monte-Carlo Ansatzes die Robustheit der ausgewählten Modelle gegenüber Variationen zu testen. Ich verglich das zuvor ausgewählte Modell und ein Modell mit transienter Rückkopplung. Das Resultat ließ darauf schließen, dass in diesem Fall die integrale Rückkopplung robuster gegenüber Variationen ist als eine transiente Rückkopplung. Insgesamt verbindet der systembiologische Ansatz meiner Arbeit erfolgreich theoretisches Wissen mit experimenteller Expertise um einen Mechanismus vorzuschlagen, der beschreibt, wie der Parasit A. viteae mit Makrophagen seines Wirtes interagiert, um IL10 Exprimierung zu induzieren., The parasitic nematode Acanthocheilonema viteae can downregulate the immune response of its host by inducing immunoregulatory cytokines such as interleukin-10 (IL10). In this thesis, I developed specific mathematical models to investigate IL10 regulation mechanisms. These models assumed that Av17, an immunomodulatory protein secreted by A.viteae, leads to the Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK) ERK and p38 phosphorylation and that IL10 transient expression was dependent on the activation of both MAP kinases. These assumptions were validated with experimental data on ERK and p38 activation. Further, I tested alternative ways of signalling regulation and developed a method of model selection that combines the theoretical predictions with experimental evidences. Model selection identified dual specificity phosphatase (DUSP) as integral feedback regulators in this system. Dedicated experiments showed that DUSP1 was responsible for regulation of ERK and p38 phosphorylation and controlled IL10 expression in this system. Furthermore, a sensitivity analysis suggested that p38 affects ERK via DUSP, but ERK does not affect p38, revealing a negative feedback between the components. This model prediction was validated experimentally. Generally, host immune regulation mechanisms should be robust against variations, e.g., by parasites like A. viteae. This prompted me to test the robustness of the selected model against noise, by comparing it with a transient feedback model. The results suggest that the integral feedback model is more robust against noise than the transient feedback model, in the case under study. In summary, based on a systems biology approach that successfully combines theoretical and experimental expertise, this thesis proposes a mechanism that describes how the parasite A. viteae interacts with its host macrophages to induce IL10 expression.