Mikrotubuli sind filamentöse intrazelluläre Polymere, die als grundlegende Bestandteile subzellulärer Strukturen in Eukaryoten dienen. Diese Studie verwendet einen vergleichenden Ansatz, um zu untersuchen, wie sich die intrinsischen dynamischen und biochemischen Eigenschaften von Tubulin zwischen verschiedenen Spezies unterscheiden, und zeigt ihre Konsequenzen in zwei verschiedenen physiologischen Kontexten: 1) Bestimmung der Spindelgröße bei Fröschen der Gattung Xenopus und 2) Spezifität von Mikrotubuli-Inhibitoren für Plasmodium falciparum-Mikrotubuli über denen ihres menschlichen Wirts. In den Eiern der Froschgattung Xenopus wird die Länge der meiotischen Spindel biochemisch festgelegt und erreicht unabhängig von räumlichen Einschränkungen eine Obergrenze. Messungen der Dynamik von Xenopus-Mikrotubuli zeigen, dass X. laevis-Mikrotubuli sowohl schneller wachsen als auch länger leben als die von X. tropicalis. Darüber hinaus spielt die Quantifizierung der Länge und Massenverteilung der Xenopus-Mikrotubuli zusammen mit den Reaktionen der Eiextrakt-Spindelanordnung eine Rolle für die intrinsische Dynamik der Mikrotubuli bei der Modulation der Spindellänge. Mikrotubuli sind auch Wirkstofftargets bei Pilz- und parasitären Helmintheninfektionen und haben in den letzten Jahrzehnten die Aufmerksamkeit als potenzielles Wirkstoffziel beim Malariaparasiten Plasmodium falciparum auf sich gezogen. Um die Dynamik und Medikamentspezifität von Mikrotubuli von P. falciparum zu charakterisieren, haben wir Tubulin direkt von den Parasiten gereinigt. Zum ersten Mal wurden hier dynamische P. falciparum-Mikrotubuli in vitro rekonstituiert und eine parasitenspezifische Unterdrückung der Dynamik von Mikrotubuli durch Oryzalin und Amiprofos-Methyl direkt nachgewiesen. Diese Studie legt einen experimentellen Rahmen fest, um direkt auf parasitenspezifische Hemmung von Mikrotubuli zu testen, die bisher unter Verwendung bestehender in-vitro-Ansätze nicht beobachtet wurden. / Microtubules are filamentous intracellular polymers that are fundamental components of subcellular structures including the spindle, the cytoskeleton, and flagella in eukaryotes. This study uses a comparative approach to investigate how the intrinsic dynamic and biochemical characteristics of tubulin vary between species and demonstrates their consequences in two different physiological contexts: 1) Spindle size control in Xenopus frogs, and 2) The specificity of microtubule inhibitors for Plasmodium falciparum microtubules over those of their human host. In Xenopus frog eggs, the length of the spindle is biochemically controlled and reaches an upper limit independent of spatial constraints. In this study, in vitro measurements of Xenopus microtubule dynamics show that X. laevis microtubules are both faster-growing and longer-lived X. tropicalis, independent of the influence of microtubule-associated proteins. Furthermore, quantification of Xenopus microtubule length and mass distributions, combined with egg extract spindle assembly reactions, establishes a role for intrinsic microtubule dynamics in modulating spindle length. Microtubules are also established drug targets in fungal and parasitic helminth infections and have in the past decades drawn attention as a potential drug target in the malaria parasite Plasmodium falciparum. In order to characterize P. falciparum microtubule dynamics, structure, and drug specificity, we have used an affinity chromatography-based approach to purify tubulin directly from blood-stage parasites. For the first time, dynamic P. falciparum microtubules have been reconstituted in vitro and parasite-specific suppression of microtubule dynamics by oryzalin and amiprofos methyl has been directly demonstrated. This study establishes an experimental framework to directly test for parasite-specific microtubule inhibition, microtubule structure, and interactions with MAPs that previously have not observed using existing in vitro approaches.

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.

Der Überträger von Malaria, Anopheles gambiae, fordert jedes Jahr das Leben von etwa einer halben Million Menschen. Dennoch haben Mücken Mechanismen entwickelt, die die Ausbreitung von Krankheitserregern einschränken können. Der NF-κB-ähnliche Signalweg REL2 wurde als Schlüsselmechanismus für die Abtötung von Plasmodium falciparum in Mücken beschrieben, der sie bei experimenteller Aktivierung resistent gegen Plasmodium-Parasiten macht. Der Weg blieb jedoch schlecht charakterisiert. Zur Charakterisierung des REL2-Signalwegs wurden Loss-of-Function-Mutanten des Gens das Transkriptionsfaktor REL2 kodiert verwendet. Hier wurde die Fitness der Mücken mit REL2-Mangel, ihre Anfälligkeit für eine Infektion mit P. falciparum und Veränderungen in ihren mikrobiellen Gemeinschaften untersucht. Es wurde eine entscheidende Rolle des REL2-Signalwegs bei der Kontrolle der Proliferation des Mitteldarmmikrobioms und folglich des Überlebens der Mücken identifiziert. Es konnte kein konsistenter Phänotyp in der Anfälligkeit von REL2-Mutanten gegenüber Plasmodium beobachtet werden. Die Interaktion des Signalwegs und des Parasiten war indirekt, als Folge der REL2- und Mikrobiom-Interaktion. Gewebespezifische Transkriptomsequenzierung wurde verwendet um REL2-Genziele zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigten die gewebespezifische Funktion des REL2-Signalwegs, wobei der Mitteldarm der Hauptort seiner Aktivität ist. Die identifizierten REL2-Genziele gehörten zu verschiedenen Domänen der Mückenphysiologie, einschließlich des Stoffwechsels. Mit weiteren Experimenten wurde die Rolle des REL2-Signalwegs bei der Blutmahlzeitverdauung und dem Management von Zucker- und Lipidressourcen beobachtet. Diese Studie ist die erste, die die Hauptgewebe der REL2-Aktivität und die Genziele des Signalwegs in Mücken identifiziert. Seine Hauptfunktion ist die Regulierung der mikrobiellen Gemeinschaften der Mücken im Mitteldarm, aber der Signalweg ist auch an der Feinabstimmung von Stoffwechselprozessen beteiligt. / Malaria vector, Anopheles gambiae, claims lives of around half a million people each year. But mosquitoes have developed an array of mechanisms that can limit pathogen proliferation. NF-κB-like signaling pathway REL2 has been described as a key mechanism for Plasmodium falciparum killing in mosquitoes, rendering them resistant to Plasmodium parasites when experimentally activated. However, the pathway remained poorly characterized. With an aim to characterize the REL2-dependent Plasmodium killing, loss-of-function mutants of the gene encoding the NF-κB-like transcription factor REL2 were used. The fitness of the REL2 deficient mosquitoes, their susceptibility to P. falciparum infection, and changes in their microbial communities were investigated. A critical role of REL2 pathway in controlling the midgut microbiome proliferation, and consequently the mosquito survival, has been identified. Interestingly, no consistent phenotype could be observed in the susceptibility of REL2 mutants to Plasmodium. Rather, the interaction of the pathway and parasite seems to be indirect, as a consequence of the REL2 and microbiome interaction. Furthermore, tissue-specific transcriptome sequencing was used to identify REL2 gene targets. The sequencing results revealed the tissue-specific function of the REL2-pathway, with the midgut being the main site of its activity. Identified REL2 gene targets belonged to various domains of mosquito physiology, including metabolism. With further experiments, the role of the REL2 pathway in blood meal digestion and management of sugar and lipid resources has been observed. Taken together, this study is the first to identify the main tissues of the REL2 activity and also gene targets of the pathway in mosquitoes. Its main function was found to be the regulation of mosquito microbial communities in the midgut, but the pathway also seems involved in fine-tuning of metabolic processes.