Trotz weltweiter Bemühungen, die Tropenkrankheit Malaria zurückzudrängen, erkranken jährlich bis zu einer halben Milliarde Menschen an Malaria mit der Folge von über einer Million Todesopfern. Da zur Zeit eine wirksame Impfung nicht in Sicht ist und sich Resistenzen gegen gängige Medikamente ausbreiten, werden dringend neue Antimalariamittel benötigt. Um die Suche nach neuen Angriffsorten für Medikamente zu unterstützen, untersucht die vorliegende Arbeit mit einem rechnergestützten Ansatz den Stoffwechsel von Plasmodium falciparum, dem tödlichsten Malaria-Erreger. Basierend auf einem aus dem aktuellen Forschungsstand rekonstruierten metabolischen Netzwerk des Parasiten werden metabolische Flüsse für die einzelnen Stadien des Lebenszyklus von P. falciparum berechnet. Dabei wird ein im Rahmen dieser Arbeit entwickelter Fluss-Bilanz-Analyse-Ansatz verwendet, der ausgehend von in den jeweiligen Entwicklungsstadien gemessenen Genexpressionsprofilen entsprechende Flussverteilungen ableitet. Für das so ermittelte stadienspezifische Flussgeschehen ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit bekannten Austauschprozessen von Stoffen zwischen Parasit und infiziertem Erythrozyt. Knockout Simulationen, die mit Hilfe einer ähnlichen Vorhersagemethode durchgeführte werden, decken essentielle metabolische Reaktionen im Netzwerk auf. Fast 90% eines Sets von experimentell bestimmten essentiellen Enzymen wird wiedergefunden, wenn die Annahme getroffen wird, dass Nährstoffe nur begrenzt aus der Wirtszelle aufgenommen werden können. Die als essentiell vorhergesagten Enzyme stellen mögliche Angriffsorte für Medikamente dar. Anhand der Flussverteilungen, die für die einzelnen Entwicklungsstadien berechnet wurden, können diese potenziellen Targets nach Relevanz für Malaria Prophylaxe und Therapie sortiert werden, je nachdem, in welchem Stadium die Enzyme als aktiv vorhergesagt wurden. Dies bietet einen vielversprechenden Startpunkt für die Entwicklung von neuen Antimalariamitteln. / Despite enormous efforts to combat malaria, the disease still afflicts up to half a billion people each year, of which more than one million die. Currently no effective vaccine is within sight, and resistances to antimalarial drugs are wide-spread. Thus, new medicines against malaria are urgently needed. In order to aid the process of drug target detection, the present work carries out a computational analysis of the metabolism of Plasmodium falciparum, the deadliest malaria pathogen. A comprehensive compartmentalized metabolic network is assembled, which is able to reproduce metabolic processes known from the literature to occur in the parasite. On the basis of this network metabolic fluxes are predicted for the individual life cycle stages of P. falciparum. In this context, a flux balance approach is developed to obtain metabolic flux distributions that are consistent with gene expression profiles observed during the respective stages. The predictions are found to be in good accordance with experimentally determined metabolite exchanges between parasite and infected erythrocyte. Knockout simulations, which are conducted with a similar approach, reveal indispensable metabolic reactions within the parasite. These putative drug targets cover almost 90% of a set of experimentally confirmed essential enzymes if the assumption is made that nutrient uptake from the host cell is limited. A comparison demonstrates that the applied flux balance approach yields target predictions with higher specificity than the topology based choke-point analysis. The previously predicted stage-specific flux distributions allow to filter the obtained set of drug target candidates with respect to malaria prophylaxis, therapy or both, providing a promising starting point for further drug development.

Die Infektion mit dem Erreger der Malaria tropica, Plasmodium falciparum, verläuft individuell unterschiedlich. Während manche der Infizierten rasch an einer komplizierten Malaria versterben, zeigen andere keinerlei Symptomatik, obwohl jahrelang eine Parasitämie besteht. Was diese Individuen voneinanderen unterscheidet, ist weitgehend unbekannt. Morbidität und Mortalität der Erkrankung sind von der Auseinandersetzung zwischen Wirt und Parasit abhängig, die von exogenen und endogenen Faktoren beeinflußt wird. Unter den endogenen Faktoren spielen die genetischen Determinanten, die sowohl an angeborenen als auch an erworbenen Resistenz- und Immunmechanismen beteiligt sind, eine besondere Rolle. In den hier zusammengefaßten Arbeiten wurden als Determinanten der angeborenen Resistenz gegenüber Malaria die Sichelzellanämie, Alpha-Thalassämie, G6PD-Mangel und der HLA-Klasse-II-Polymorphismus und als genetische Einflußfaktoren von erworbenen Immunmechanismen Varianten des TNF-Promotors, von ICAM-1 und iNOS untersucht. Die Arbeiten unterstützen die Hypothese, daß die Interaktion von Mensch und Plasmodien zu einer ständigen gegenseitigen Beeinflussung und Anpassung geführt hat. Die koevolutonäre Veränderung der Genome der beiden Organismen ist wahrscheinlich mitverantwortlich für die unterschiedliche geographische Verteilung von Genvarianten sowohl des Menschen als auch der Plasmodien und scheint auch heute noch Teil einer komplexen und dynamischen Anpassung von Wirt und Parasit zu sein. / The manifestation of an infection with Plasmodium falciparum, the pathogen of malaria, is individually different. Some indiviuals have a high risk of developing severe malaria, whereas others remain asymptomatic despite a long-lasting parasitemia. The basis of these differences is unknown. Morbidity and mortality of malaria are dependent on the interaction between the host and the parasite which is influenced by exogenic and endogenic factors. The latter are determined by genetic elements involved in innate and acquired mechanisms of resistance and immunity. The studies summerized here address genetic determinants of innate resistance against malaria (sickle cell trait, alpha-thalassemia, G6PD deficiency, blood groups and HLA class II alleles) and those of acquired immunity (variants of the TNF promoter, ICAM-1, and iNOS). The results support the view that the interaction between humans and plasmodia has led to continuous mutual influences and adaptations. Probably, the co-evolution of the genomes of both organisms is jointly responsible for the different geographical distribution of parasitic and human gene variants. This process seems to be part of an ongoing complex and dynamic adaptation of the host and the parasite.

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.