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

Parasiten durchlaufen in ihrem Lebenszyklus morphologisch verschiedene Stadien. Die Kontrolle des Übergangs zwischen den Stadien kann die Transmission in einen neuen Wirt begünstigen. Bei vielen Parasiten ist unbekannt, welche Faktoren die Progression des Lebenszyklus beeinflussen. Der Ablauf kann genetisch prädeterminiert sein (kanalisiert) oder von äußeren Einflüssen abhängen (phänotypische Plastizität). Hier wurde die Progression des Lebenszyklus zweier Darmparasiten in Mäusen untersucht. Die Oozysten von Eimeria falciformis wurden quantifiziert und die Transkriptome von Parasit und Wirt wurden in Mäusen unterschiedlicher Immunkompetenz analysiert. Wenngleich erwartet wurde, dass die Immunantwort einen Stressor für das Pathogen darstellt, hatte die Immunkompetenz des Wirts keine Auswirkungen auf den Zeitpunkt der Oozystenausscheidung und das Transkriptomprofil des Parasiten. E. falciformis konnte nicht von der Immunschwäche des Wirtes profitieren; ist also hinsichtlich der Immunantwort des Wirts genetisch kanalisiert. In G. duodenalis wurde untersucht, inwiefern die Progression des Lebenszyklus, d.h die Trophozoitenreplikation bzw. die Zystenausscheidung, von Arginin abhängt. Die Replikation der Trophozoiten war nicht von Arginin aus der Nahrung abhängig; die Ausscheidung infektiöser Zysten war unter argininarmen Bedingungen jedoch verringert. Dies lässt vermuten, dass der Ablauf des Lebenszyklus von G. duodenalis, insbesondere die Enzystierung, an die Argininzufuhr gekoppelt ist. Die Umstellung des Metabolismus von G. duodenalis hin zur Produktion eines wichtigen Zystenwandbestandteils wird hier als mechanistische Verbindung zwischen ATP-Erzeugung aus Arginin in Nichtsäugetieren (Arginindihydrolase-Stoffwechselweg), verringerter Glykolyse und der Zystenwandsynthese erörtert. Somit könnte Arginin als Stimulus für phänotypische Plastizität bei der Enzystierung von G. duodenalis dienen. / Eukaryotic parasites have life cycles with morphologically distinct stages. Accurate timing of the conversion from one stage into another can be beneficial for transmission into a new host. Often little is known about determinants for such life cycle progression or the genes involved. Timing can be genetically pre-determined (canalized) or depend on exposure to a stimulus (phenotypic plasticity). Here, life cycle progression of two unicellular intestinal parasites was investigated in mice. For Eimeria falciformis, oocyst stage parasites were quantified, and parasite and host transcriptomes analyzed in differently immune competent hosts. Host immune response stimuli are expected to induce stress on the pathogen, but different host immune competences did not change the timing of oocyst shedding or influence parasite transcriptome profiles. E. falciformis was unable to benefit from hosts with weakened immune responses. It is therefore an example of a genetically canalized parasite with regards to host immune stimulus. In Giardia duodenalis, dependence on arginine for life cycle progression was investigated. The in vivo relevance for parasite replication is unknown. Trophozoite stage replication and cyst shedding were assessed in hosts fed normal and arginine-free diets. G. duodenalis did not depend on dietary arginine for trophozoite replication, but infective cysts were reduced in number under arginine-poor conditions. Dependence on arginine for life stage switching suggests that G. duodenalis could time progression by encysting upon arginine exposure. G. duodenalis metabolic reprograming to generate a major cyst wall component is discussed as a strategy to mechanistically link 1) non-mammalian ATP generation (arginine dihydrolase pathway) from arginine with 2) decreased glycolytic flux and 3) cyst wall generation. Therefore, arginine may be an external stimulus for phenotypic plasticity of encystation in G. duodenalis.