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

Die hier vorgestellte Studie untersucht systematisch die angeborene Immunabwehr gegen L. pneumophila auf Ebene des gesamten Wirtsorganismus, sowie auf molekularer Ebene in Alveolar- und Knochenmarksmakrophagen. Mittels in vivo Transkriptomanalysen werden Typ I und II Interferone (IFN) als Hauptregulatoren der frühen pulmonalen Genexpression in der L. pneumophila-Infektion identifiziert. Infektionsexperimente in Wildtyp- und IFN-Rezeptor-defizienten Tieren offenbaren, dass Typ I und II IFNe maßgeblich die antibakterielle Abwehr gegen L. pneumophila vermitteln. Für die Bekämpfung der Infektion in der Lunge werden CD11c+ Zellen als wichtigste Empfänger der IFN-Signale identifiziert. Des Weiteren wird durch Behandlung von CD11c+ Alveolarmakrophagen mit IFNen ex vivo das intrazelluläre bakterielle Wachstum inhibiert. Mittels subzellulärer quantitativer Massenspektrometrie wird gezeigt, dass die Proteinkomposition der Legionellen-enthaltenden Vakuole substanziell durch beide IFNe modifiziert wird. In einer vergleichenden Netzwerkanalyse werden diese Proteomdaten mit eigenen und öffentlich zugänglichen Transkriptomdaten verglichen. Hierdurch können klar abgegrenzte Untergruppen von einerseits transkriptionell durch IFN-regulierten Proteinen sowie andererseits ausschließlich räumlich IFN-regulierten Proteinen unterschieden werden. Unter den durch IFN an der Vakuole angereicherten Proteinen wird Immunoresponsive gene 1 (IRG1) als zentraler Effektor identifiziert, welcher das Wachstum von L. pneumophila durch die Produktion des antibakteriellen Metaboliten Itaconsäure inhibiert. Zusammenfassend stellt diese Studie eine umfassende Ressource von IFN-vermittelten Effekten auf die Genexpression sowie auf das Proteom der bakteriellen Vakuole dar und deckt einen zellautonomen Abwehrmechanismus gegen L. pneumophila auf, welcher durch die IRG1-abhängige Produktion von Itaconsäure vermittelt wird. / The study presented here systemically examines the innate immune response against L. pneumophila on whole organism level as well as on a molecular level within macrophages, L. pneumophilas’ host cell. In vivo transcriptome analyses identify type I and II interferons (IFNs) as master regulators of the early pulmonary gene expression during L. pneumophila infection. Infection experiments in wild-type mice and mice lacking type I and/or II IFN signaling reveal a severe defect of antibacterial defense when IFN signaling is absent. CD11c+ cells were found to be the main targets of IFNs to restrict infection in the lung, and IFNs inhibited bacterial growth in CD11c+ alveolar macrophages ex vivo. Subcellular quantitative mass spectrometry shows that both IFNs substantially modify the protein composition of Legionella-containing vacuoles. Comparative network analysis, combining these proteome data with transcriptome data as well as public database data reveals distinct subsets of transcriptionally regulated IFN-stimulated genes (ISGs) on the one hand, but interestingly also exclusively spatially IFN-regulated vacuolar proteins. Among IFN-regulated vacuolar proteins, Immunoresponsive gene 1 (IRG1) was identified as a central effector that restricts growth of L. pneumophila through production of the antibacterial metabolite itaconic acid in macrophages. Collectively, this study provides a comprehensive resource of IFN-mediated effects on gene expression and the bacterial vacuolar proteome, and uncovers a cell-autonomous defense pathway against L. pneumophila, which is mediated by IFNs, IRG1 and itaconic acid.

Das Hüllglykoprotein Hämagglutinin (HA) von Influenzavirus ist verantwortlich sowohl für die Bindung als auch für die nachfolgende Fusion der viralen Hülle mit der endosomalen Membran. Eine Analyse der 3D Struktur der HA-Ektodomaine zeigt, dass die Stabilität des Proteins sowohl durch kovalente als auch durch nicht-kovalente Wechselwirkungen bedingt ist. Die Konformationsänderung von HA bei saurem pH-Wert weißt auf eine mögliche Rolle von Protonierungseffekten auf ionisierbare Aminosäuren hin. Untersuchungen zur Bedeutung geladener Aminosäuren und Salzbrücken für die Struktur des HA wurden auf der Grundlage von ‚site directed mutagenesis’ durchgeführt. Der Einfluss der Mutationen auf die Konformationsänderung und die Fusionsaktivität von HA wurden durch einen Proteinase K-Assay bzw. Fluoreszenzmikroskopie erfasst. Die Ergebnisse beider Methoden wurden miteinander korreliert. Abgesehen von der Mutante R109E zeigten Wildtyp-HA und alle anderen Mutanten eine vergleichbare Oberflächenexpression. Die beobachteten Unterschiede in der pH-Abhängigkeit der Konformationumwandlung zwischen Wildtyp-HA und HA-Mutanten zeigen, daß eine Zerstörung von Salzbrücken und ggf. eine Erhöhung der elektrostatischen Abstoßung an den betrachteten Kontakstellen sehr wahrscheinlich eine Herabsetzung der energetischen Barriere der Konformationsumwandlung verursacht. Dieser Ergebnisse erklären die molekularen Grundlagen des erhöhten pH-Schwellwertes der HA-Konformationsumwandlung von Amantadin-resistenten Influenzaviren. Im Gegensatz wurde für Mutanten, die die Stabilität von HA erhöhten, keine Konformationsumwandlung bei einem pH-Wert beobachtet, der typisch für die Konformationumwandlung von Wildtyp-HA war. Aminosäuren, die denen dieser stabiliserenden Mutationen entsprachen, wurden in einer natürlichen Influenzavirusvariante – A/JPN/305/57 – gefunden. Die Bedeutung von Ladungen für die Stabilität der HA-Ektodomaine wird dadurch unterstrichen, dass eine Konservierung einer positiven Ladung und insbesondere eines Argininrestes in der Position 109 (Nummerierung auf der Basis von HA X31) für alle Influenzaviren A und B gefunden wurde. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass sehr wahrscheinlich eine komplexe Salzbrücke an der Kontaktfläche zwischen HA1 und HA2 für alle Influenzaviren A evolutionär konserviert ist. / Hemagglutinin (HA), a major envelope glycoprotein is responsible for fusing viral and endosomal membranes during influenza virus entry. The analysis of 3D crystal structure of the HA ectodomain shows that the stability of protein is maintained by both non-covalent and covalent interactions. The conformational change of HA at low pH indicates a role for protonation effects of the ionisable amino acids. Structural investigations were done using “site directed mutagenesis” in order to conceive the importance of charged amino acids and more emphatically the involvement of salt bridges. The effect of mutations on the conformational change and fusion activity was probed by proteinase K assay and fluorescence microscopy respectively. It was observed that HA-wt and all the mutants except R109E showed comparable surface expression. The difference in pH threshold between the HA-wt and the mutants showed that breakage of salt bridge and further incorporation of repulsion at the considered interfaces would lower the energy barrier requirements for the conformational change. The results explain the molecular basis of the higher pH threshold for naturally occurring amantadine resistant mutants. On the other hand, mutants designed to stabilise the HA were resistant to conformational changes at those pH values which typically trigger the conformational change of HA-wt. Coincidentally these mutations were found to be existing in the natural variant of H2 Japan subtype (A/JPN/305/57). Interestingly, the study shows that a positive charge and, more specifically, an Arg residue at position 109 (numbering based on X-31 strain) is conserved in all of the influenza A and B viruses underlining the relevance of electrostatic interactions for the HA stability. Aptly a complex salt bridge at the interface of HA1 and HA2 is probably conserved evolutionarily in all the members of influenza A virus.

Die durch Lipopolysaccharid (LPS) induzierte frühe Immunantwort ist ein wesentlicher Mechanismus der Infektabwehr durch die angeborene Immunität. Bei starker LPS-Exposition kann es andererseits zur Ausbildung eines septischen Syndroms kommen. Der endothelialen Sekretion von Interleukin-8 (IL-8/CXCL8), das als Chemokin die Migration neutrophiler Granulozyten vermittelt, kommt dabei herausragende Bedeutung zu. Zielsetzung dieser Arbeit war es, die Relevanz der Rho-Proteine RhoA, Rac1 und Cdc42 für die LPS-induzierte intrazelluläre Signaltransduktion mittels Überexpression inaktiver Mutanten dieser Proteine zu untersuchen. Diese Untersuchung wurde erschwert durch die schlechte Transfizierbarkeit der Endothelzelllinie HPMEC-ST1.6R, die nahezu alle Charakteristika primärer Endothelzellen aufweist. Deshalb wurde eine Methode etabliert, die durch Kotransfektion des Grünen Fluoreszenzproteins (GFP) die flusszytometrische Selektion der transfizierten Zellen anhand ihrer GFP-bedingten Fluoreszenz und die Messung der Expression von CXCL8 allein in dieser Population ermöglicht. Damit wurde nachgewiesen, dass die inaktiven Mutanten RhoAN19, Rac1N17 und Cdc42N17 jeweils die LPS-induzierte Expression von CXCL8 vermindern. Die größte Reduktion der CXCL8-Expression um 38 % der Positivkontrolle zeigte sich nach Transfektion der Mutante Rac1N17. Die Zelllinie CHO-3E10 exprimiert einen artifiziellen Reporter unter der Kontrolle eines Fragments aus der Verstärkerregion des Gens für das Endotheliale Leukozyten-Adhäsionsmolekül ELAM-1 (CD62E). Die Transfektion jeder einzelnen der inaktiven Varianten der drei GTP-bindenden Proteine in Zellen der Linie CHO-3E10 reduzierte die Expression des Reporterproteins nach Stimulation mit LPS signifikant. Die stärkste Reduktion der Reporterexpression um 51 % der Positivkontrolle ergab sich unter Rac1N17. Zusammengefasst zeigt die Studie, dass die Überexpression der inaktiven Mutanten RhoAN19, Rac1N17 und Cdc42N17 zu einer Abnahme der endothelialen Expression von CXCL8 führt. Darüberhinaus ergab sich im Vergleich zu den Mutanten RhoAN19 und Cdc42N17 die stärkste Reduktion der CXCL8-Expression in Endothelzellen nach Transfektion der Mutante Rac1N17. / The early immune response induced by Lipopolysaccaride (LPS) is a crucial mechanism in fighting off infections by the innate immunity. On the other side high amounts of LPS can lead to the development of a sepsis. In this process the endothelial secretion of interleukin-8 (IL-8/CXCL8), which causes the migration of neutrophilic granulocytes to the site of infection is highly important. The aim of this study was to analyze the relevance of each of the three Rho-proteins RhoA, Rac1 and Cdc42 for the intracellular signal transduction resulting in CXCL8-expression by means of overexpressing inactive mutants of these proteins. Cells of the human microvascular endothelial cell line HPMEC-ST1.6R show most characteristics of primary endothelial cells and are extremely difficult to transfect. Therefore a method was established, which allowed sorting of successfully transfected cells by cotransfecting a gene encoding for green fluorescence protein (GFP). This method permitted measuring intracellular expression of CXCL8 in the population successfully transfected with plasmids encoding for RhoAN19, Rac1N17 or Cdc42N17 mutants. This experiments demonstrated that the inactive mutants RhoAN19 Rac1N17 or Cdc42N17 each decreased the LPS-induced expression of CXCL8. Quantitative comparision showed the greatest reduction of 38 % in CXCL8-expression due to transfection of the Rac1N17 mutant. The LPS-inducible reporter cell line CHO-3E10 used in this study expresses the human CD25-antigene as an artificial reporter protein under the control of a fragment from the enhancer region of the gene for the human endothelial leukocytic adhesionmolecule ELAM-1 (CD62E). Transfecting each of the inactive mutants RhoAN19, Rac1N17 or Cdc42N17 in CHO-3E10 cells significantly reduced the LPS-induced expression of the reporter protein. The greatest reduction in reporter expression of 51 % resulted from transfection with the Rac1N17 mutant. In conclusion, this study demonstrates that overexpression of nonfunctional GTP-binding proteins RhoAN19, Rac1N17 or Cdc42N17 leads to a decrease in endothelial CXCL8-expression. Moreover, CXCL8-expression in endothelial cells transfected with the Rac1N17 mutant was most efficiently reduced when compared to the other mutants.

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.

Malaria Impfstoffkandidaten, welche Sicherheit und Wirksamkeit gegen prä-erythrozytische Stadien bieten, sind nach wie vor in der Entwicklung. Experimentelle Immunisierungsstudien mit genetisch attenuierten Parasiten (GAP), welche die Entwicklung über das klinisch asymptomatische Leberstadium hinaus verhindern, erwiesen sich als sicher und effizient. ΔSLARP GAP-Sporozoiten arretieren vollständig in der Leber, bieten jedoch keinen langanhaltenden Schutz. Hingegen zeigen Immunisierungen mit ΔP36p/P36 Sporozoiten einen langanhaltenden Schutz, führen jedoch während der Immunisierung gelegentlich zu Blutstadieninfektionen. Diese Studie liefert eine systematische vorklinische Bewertung eines dreifachen KO GAP-Parasiten, durch die Kombination von ΔSLARP und ΔP36p/P36. KO Parasiten arretierten vollständig in vitro und in vivo, aber der zeitnahe Blutinfektionsbeginn nach einer Sporozoiteninfektion in Mäusen zeigte eine verminderte Wirksamkeit des Impfstoffs. Während ein besserer Schutz durch einen späten Leberstadien Entwicklungsstillstand erreicht werden kann, bleiben die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen unklar. Eine Vorrausetzung für die Leberzellen Antigenpräsentation ist die Präsenz von parasitären Antigenen im hepatozyten Zytoplasma. Der Proteinexportkomplex PTEX ist in Leberstadien nicht vollständig funktionstüchtig, da das essentielle Hitzeschockprotein 101 (HSP101) nicht exprimiert wird. Um die Rolle von HSP101 für den Leberproteinexport zu klären, wurden transgene HSP101 exprimierende Parasiten erzeugt. Transgene Parasiten weisen in vitro und in vivo schwere Wachstumsstörungen im Leberstadium auf und bieten keinen Impfschutz. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Expression von HSP101 streng kontrolliert wird und der Export im frühen Leberstadien nicht wiederhergestellt werden kann. Insgesamt können prä-klinische Studien und die Weiterentwicklung von GAP-basierten Impfstoffkandidaten die laufenden humanen Impfstoffstudien beeinflussen und vorantreiben. / Malaria vaccine candidates providing both safety and efficacy against pre-erythrocytic stages remain largely elusive. Experimental immunizations with live genetically attenuated parasites (GAPs) preventing the development beyond the clinically silent liver stage have proven safe and efficacious. GAP vaccine candidate ΔSLARP, provides the most robust life cycle arrest, however, immunizations do not elicit long-lasting immunity. In contrast, ΔP36p/P36 sporozoites elicit long-lasting immunity, but lead to breakthrough infections during immunizations. This study gives a systematic pre-clinical evaluation of a triple knockout (tKO) GAP by combining ΔSLARP and ΔP36p/P36. Complete arrest of tKO parasites in cultured hepatoma cells and sporozoite-infected mice was confirmed, but time to blood infection after a sporozoite challenge revealed reduced efficacy of the tKO vaccine. While superior immunity can be achieved by a late developmental arrest at liver-to-blood stage conversion, the underlying molecular mechanisms remain elusive. An important question is whether parasite antigens are exposed to the hepatocyte cytoplasm. Protein translocation into the host cell cytoplasm mediated by PTEX, a protein translocon, is absent during liver stage maturation as a core component of PTEX, Heat-shock-protein 101 (HSP101), is not expressed. To clarify the role of HSP101 in liver stage protein export transgenic HSP101 expressing Plasmodium berghei parasites were generated. Parasites expressing elevated levels of HSP101 show severe liver stage growth defects in vitro and in vivo, lack early liver stage export and inferior protection in immunized animals. Our results suggest that HSP101 expression is tightly controlled and PTEX dependent early liver stage export cannot be restored solely by HSP101 overexpression. Overall, pre-clinical analysis and improvement of GAP-based vaccine candidates can inform on-going human vaccine trials and boost malaria vaccine development.

Malaria ist eine Krankheit, die durch den Protozoen Plasmodium verursacht und von Anopheles Moskitos durch infektiöse Stiche übertragen wird. Diese ̈Übertragung kann durch verschiedene Interventionsstrategien blockiert werden. Eine relativ neue Strategie, die bisher nur im Labor getestet wurde, ist der Einsatz genetisch veränderter Moskitos, die den Parasiten nicht auf einen neuen menschlichen Wirt übertragen können. Ein Ansatz ist die Entwicklung von Moskitos, die mit murinen Antikoepern ausgestattet sind, die gegen relevante Oberflächenproteine des Parasiten, dem Circumsporozoite Protein (CSP) gerichtet sind. Es ist jedoch nach wie vor unklar, welches Entwicklungsstadium angegriffen werden soll und welche Antikörper für diesen Ansatz effizient sind. Hier zeige ich, dass in Stechmücken, die mit einem humanen Anti-CSP-Antikörper ausgestattet sind, die Sporogonie der Oozysten in Abhängigkeit von der Parasiten-dichte blockiert wird und somit die Sporozoitenlast in den Mücken signifikant verringern. Insbesondere Antikörper, die sich an die ’Repeat Region’ des CSP binden, können die Sporozoitenlast in der Stechmücke verringern. Des Weitern, zeigen diese Stechmücken kaum Defekte in der Entwicklung und im Überleben. Diese Ergebnisse bestätigen die zuvor beschriebene Bedeutung von CSP während der Sporogonie und unterstreichen die Effizienz von humanen, ’Repeat Region’ bindenden Anti-CSP-Antikörpern bei der Beeinträchtigung der Parasitenentwicklung in dem Vektor. Darüber hinaus ist in Stechmücken, die mit humanen Anti-CSP Antikörpern ausgestattet sind, die Entwicklung von Sporozoiten teils limitiert und teils komplett verhindert. Dies macht sie zu einem vielversprechenden Instrument für Maßnahmen zum Malaria Kontrolle. In dieser Arbeit habe ich weitere Einblicke in den Mechanismus , durch den Anti-CSP-Antikörper die Parasitenentwicklung in der Mücke stören, und gezeigt, dass Oozysten ein effizientes Ziel für diesen Ansatz sind. / Malaria is a disease caused by the protozoan parasite Plasmodium and transmitted by Anopheles mosquitoes trough infectious bites, these transmission events can potentially be blocked by different intervention strategies. A relatively new strategy which has been only tested in the laboratory is the use of genetically modified mosquitoes unable to transmit the parasite to a new human host. In the past, murine derived antibodies directed against relevant parasite surface proteins were used with limited success. It remains unclear which developmental stage is targeted, and which antibodies are useful. Here, I show that in mosquitoes equipped with a human derived anti-CSP repeat binding antibody, oocyst sporogony is blocked in a parasite density dependent manner. Only repeat binding antibodies could decrease sporozoite loads in the mosquito. These results confirm the previously described importance of CSP during sporogony and highlight the efficiency of human derived repeat binding anti-CSP antibodies in interfering with parasite development even in a different host. Additionally, mosquitoes equipped with human derived anti-CSP antibodies show little (in high density infections) to no (in low density infections) sporogonic development, making them a promising tool for malaria transmission blocking interventions. I provided additional insights into the mechanism by which anti-CSP antibodies interfere with parasite development in the mosquito showing that oocysts are an efficient target for this approach. Therefore, the mosquitoes used here are potentially resistant in a more natural setting. Additionally, I provided a new tool allowing a faster screening of antibodies in a mosquito context by injection of single chain Fabs into the mosquito hemolymph. Taken together, this approach could one day give rise to alternative strategies in tackling malaria transmissions.

Ein neuartiger Ansatz für die Immunphänotypisierung wird vorgestellt. Die Durchflusszytometrie (FACS) ist die übliche Methode für die Charaketrisierung des Immunsystems. Jedoch ist die Verfügbarkeit von frischem Vollblut, sowie ein schnelle Probenlogistik Vorraussetzung für die Analyse. Als potentialle Alternative werden epigentische qPCR Assays vorgestellt. Für die Quantifizierung von B- und NK-Zellen wurden epigenetische qPCR Systeme etabliert. Anhand eines erweiterten epigenetischen Markerpanels wurde die klinische Anwendung in drei Kohorten getestet: a) 41 Patienten mit primären Immundefizienzen (PID); b) 19 Neugeborene mit und ohne PID und c) 28 Patienten nach einer Stammzelltransplantation (SZT). In Kohorte a) und c) konnte die Äquivalenz der Ergebnisse mit FACS bestätigt werden. Diskrepanzen bei der regulatorischen T-Zell Quantifizierung in einzelnen PID Patienten wurde festgestellt, welche durch Mutationen verursacht wurden, die die Integrität der analysierten Proteine beeinflussen. Zudem konnte die Anwendung der epigentischen Quantifizierung in Trockenblutkarten von Neugeborenen gezeigt werden. Dies würde die Anwendung auch im Neugeborenen-Screening für die Erkennung von PIDs ermöglichen. Für die Anwendung in der SZT konnte gezeigt werden, dass das epigenetische System eine frühe Analyse der Immunrekonstitution ermöglicht, welche eine prädiktive Aussage über das Überleben der Patienten erlaubt. Patienten, welche eine Immunantwort der Lymphozyten gegen eine Virusinfektion bereits am Tag 26 nach Transplantation aufwiesen, hatten eine signifikant höhere Überlebenschance als Patienten ohne Immunantwort. Zusammengefassend zeigen die Daten, dass die epigenetische Systeme für klinische Anwendungen eine zuverlässige Methode darstellt. Die Aussagekraft der Daten ist aufgrund der Studiengröße noch limitiert, und komplizierte klinische Szenarien erschweren die Evaluierung. Deshalb sind weitere Studien erforderlich, um das gezeigte Potenzial zu validieren. / A novel approach for immunophenotyping for clinical applications is presented here. Flow cytometry is currently a common method to characterize the immune system but requiring fresh whole blood and good sample logistics which is not always available. To overcome this limitations, epigenetic qPCR assays are introduced as potential alternative. New epigenetic qPCR systems to quantiy B and NK cells have been established. Using an extended epigenetic marker panel, clinical applications were tested in three patient cohorts: a) 41 patients with different primary immunodeficiencies (PID); b) 19 newborns with and without PID and c) 28 patients after stem cell transplantation (SCT). In cohort a) and c) the equivalence of the epigenetic quantification with flow cytometry was confirmed. However, discrepancies between both methods for regulatory T-cell quantification were found in individual PID patients caused by disease-associated mutations affecting the integrity of the respective protein. Furthermore, the epigenetic quantification using dried blood spots from newborns was demonstrated. This would allow the implementation of epigenetic immunophenotyping in neonatal screening for the detection of congenital immunodeficiencies. For the application in SCT, it was shown that the epigenetic system allows an early analysis of immune reconstitution, which may allow a prediction of the patients' overall survival. Patients who showed an immune response of lymphocytes against viral infections at day 26 after transplantation had a significantly higher survival rate. In summary, the available data show that epigenetic immunophenotyping is a reliable analytical method for various clinical applications. The significance of the data is still limited due to the size of the study and complicated clinical scenarios make the evaluation of individual measurements difficult. Therefore, further extensive investigations are needed to clinically validate the demonstrated potential.

Ein Kennzeichen der Plasmodium-Infektion ist die Induktion von strukturellen Veränderungen der Membranen der Wirtszelle. Die Parasiten bilden sich Membranstrukturen im Zytoplasma der Wirtszelle aus. Die Maurersche Fleckung ist einer der am besten charakterisierten Struktur von Plasmodium falciparum, die für den Transport von Virulenzfaktoren an die Oberfläche der infizierten Erythrozytenmembran wichtig ist. Plasmodium berghei, eine Nagetier-infizierende Spezies, bildet ähnliche Strukturen aus, die als intra-erythrozytäre P. berghei induzierte Strukturen (IBIS) bezeichnet werden. In beiden Strukturen können Proteine gefunden werden, die für die Sequestrierung von infizierten roten Blutkörperchen innerhalb des Wirts verantwortlich sind. Zwei P. berghei Proteine, IPIS2 und IPIS3, sind im Leber- und Blutstadium der Infektion präsent. Im Blutstadium werden sie in die IBIS-Kompartimente exportiert. Das speziesübergreifende Vorkommen von IPIS2 und IPIS3 deutet darauf hin, dass sie konservierte Funktionen haben könnten, die für das intrazelluläre Wachstum von Plasmodium wichtig sind. Diese Arbeit beschreibt Rollen für beide Proteine an der Wirts-Parasit Schnittstelle während der Infektion. Um einen Einblick in die induzierten Veränderungen zu erhalten, wurde die Infektion von P. berghei in Abwesenheit von IPIS2 beziehungsweise IPIS3 charakterisiert. Darüber hinaus interessierte uns auch, wie sich die Orthologe von IPIS2- und IPIS3 in den Blutstadien von P. knowlesi verhalten. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, dass die Deletion von entweder IPIS2 oder IPIS3 zu leicht reduzierten Wachstumsraten der Parasiten im Blut infizierter Tiere führte und die Anzahl der zirkulierenden Schizonten im peripheren Blut erhöhte, während das Leberstadium unbeeinflusst blieb. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass IPIS2 und IPIS3 für den Wirtszell-Umbau erforderlich sind, der für die effiziente Sequestrierung von infizierten Erythrozyten aus dem Blutkreislauf verantwortlich ist. / One characteristic of Plasmodium infection is the induction of structural changes in the membranes of the host cell. The parasites form membrane structures in the cytoplasm of the host cell. Maurer's clefts are one of the best characterised structures of Plasmodium falciparum, which are important for the transport of virulence factors to the surface of the infected erythrocyte membrane. Plasmodium berghei, a rodent-infecting species, forms similar structures called intra-erythrocyte P. berghei induced structures (IBIS). In both structures, proteins can be found that are responsible for sequestering infected red blood cells within the host. Two P. berghei proteins, IPIS2 and IPIS3, are present in the liver and blood stages of infection. In the blood stage, they are exported to the IBIS compartments. The cross-species presence of IPIS2 and IPIS3 suggests that they may have conserved functions important for Plasmodium intracellular growth. This work describes roles for both proteins at the host-parasite interface during infection. To gain insight into the induced changes, infection of P. berghei was characterized in the absence of IPIS2 and IPIS3, respectively. Furthermore, we were also interested in how the orthologues of IPIS2- and IPIS3 behave in the blood stages of P. knowlesi. Furthermore, this work shows that deletion of either IPIS2 or IPIS3 resulted in slightly reduced parasite growth rates in the blood of infected animals and increased the number of circulating schizonts in the peripheral blood, while the liver stage was unaffected. Taken together, these data suggest that IPIS2 and IPIS3 are required for host cell remodeling, which is responsible for the efficient sequestration of infected erythrocytes from the bloodstream.

Die Infektionskrankheit Malaria wird von einzelligen Parasiten der Gattung Plasmodium verursacht und stellt vor allem im südlichen Afrika eine große Herausforderung dar. Die Zellen der Parasiten enthalten zwei endosymbiontische Organellen, den Apicoplast und das Mitochondrium. Beide Organellen besitzen ein reduziertes Genom. Die Struktur des mitochondrialen Genoms ist ungewöhnlich. Mit nur 6 kb gehört es zu den kleinsten beschriebenen Genomen und enthält neben drei proteinkodierende Gene auch 34 kleine rRNA-Gene. Um das Genom zu exprimieren wird eine Vielzahl von kernkodierten Faktoren benötigt. Die Regulation der Expression, die Prozessierung der polycistronischen Primärtranskripte und die Regulation des RNA-Metabolismus des Mitochondriums ist jedoch weitestgehend unbekannt. In dieser Arbeit konnten kurze RNAs in den Mitochondrien von P. falciparum mittels Hochdurchsatzsequenzierung identifiziert werden. Solche RNA-Akkumulationen an Transkriptenden werden in den Organellen höherer Pflanzen durch PPR-Proteine (Pentatricopeptide repeat) verursacht. Um zu untersuchen, ob in P. falciparum PPR-ähnliche, helikale Proteine vorhanden sind, wurde genomweit nach Proteinen mit repetitiven, helikalen Elementen gesucht. Dabei konnte eine vorher unbekannte Proteinfamilie identifiziert werden, die aufgrund ihrer 37 Aminosäure langen Motive Heptatricopeptide repeat Proteine (HPR) genannt wurde. In P. berghei konnte für 7 HPR-Proteine eine mitochondriale Lokalisation betätigt werden. Außerdem zeigten Deletionsversuche, dass die meisten HPR-Proteine in den Blutstadien essentiell sind. In vitro RNA-Bindestudien konnte für ein rekombinantes HPR-Protein eine unspezifische Interaktion mit mitochondrialen Transkripten nachgewiesen werden, während keine Bindung an DNA erfolgt. Eine breite Suche in verschiedenen phylogenetischen Gruppen zeigte, dass HPR-Proteine in verschiedensten eurkaryotischen Taxa vorhanden sind, mithin früh in der Evolution der eukaryotischen Zelle entstanden sind. / Malaria is caused by a single celled parasite of the genus Plasmodium. Especially in Sub-Saharan Africa, -this disease is a huge challenge for the health system. The cells of the parasites contain two organelles of endosymbiotic origin, the apicoplast and the mitochondrion. Both organelles still contain a reduced genome. For the expression of the genome, the organelles depends on a large set of nuclear encoded proteins. The mitochondrial genome has a unique structure. With only 6 kb it is one of the smallest genomes discovered to date and it contains only three protein coding genes along with 34 small ribosomal genes. The regulation of expression, the processing of the polycistronic primary transcript and the regulation of the RNA metabolism in the mitochondria of Plasmodium remains largely unknown. Through high-throughput sequencing of cellular RNA, we discovered a population of small RNAs originating in the mitochondria of P. falciparum. Similar RNA accumulations can be detected in the organelles of higher plants and are caused by helical-hairpin repeat proteins like PPR proteins (pentatricopeptide repeat). To search for plant-like RNA binding proteins similar to PPR proteins we scanned the nuclear genome of P. falciparum for helical-hairpin repeat proteins. We found a novel protein family with repetitive helical elements of 37 amino acid length we termed heptatricopeptide repeat (HPR) proteins. In the rodent Malaria parasite P. berghei, the mitochondrial localization for 7 HPR-Proteins was verified. In knockout studies, we also showed that almost all HPR proteins are essential for blood stages of P. berghei. In RNA-binding assays, one recombinant HPR protein showed unspecific interaction with mitochondrial transcripts but not with DNA. By broadening the search, we discovered that HPR proteins are found in multiple eukaryotic taxa.