Malaria wird durch den einzelligen Parasiten Plasmodium verursacht. Hierbei handelt es sich um einen obligat intrazellulären, eukaryotischen Erreger, der zum Phylum der Apicomplexa gehört. Apicomplexa zeichnen sich durch das einzigartige Vorhandensein eines ungewöhnlichen Plastids, genannt Apicoplast, aus. Die Exklusivität dieser Organelle und ihre metabolische Notwendigkeit für das Parasitenwachstum haben sie als attraktives pharmakologisches Ziel bestätigt. In dieser Arbeit wurden, unter Anwendung des Nagetier-Malariaerregers Plasmodium berghei, zwei verschiedene Aspekte von Apicoplast Proteinfunktionen untersucht. Zum Ersten wurde ein bislang unbeschriebenes Plasmodium Apicoplast Protein, Plasmodium-specific Apicoplast protein important for Liver Merozoite formation (PALM), charakterisiert. Drei voneinander unabhängige palm— Parasitenlinien, wurden durch zielgerichtete Gendeletion generiert. Die PALM Knockout-Mutanten entwickelten sich während eines Großteils des Lebenszyklus normal, jedoch war die Abgabe von Merozoiten in den Blutstrom und die Fähigkeit eine Blutstadien-Infektion zu etablieren signifikant beeinträchtigt. Experimentelle Immunisierung von Mäusen mit palm— Sporozoiten bewirkte einen starken und langanhaltenden Schutz gegen Reinfektion mit Malaria. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Parasiten mit einem Arrest in den finalen Schritten der Bildung von Leberstadien-Merozoiten einen Vorteil gegenüber genetisch attenuierten Parasiten der ersten Generation haben, die in der frühen Leberstadienentwicklung arretiert sind. Zum Zweiten wurden die sechs Nucleus-kodierten Komponenten der [Fe-S] Cluster Biosynthese im Apicoplast systematisch durch experimentelle Genetik analysiert. Insgesamt zeigen meine Studien, dass bisher unbekannte Ziele im Plasmodium Apicoplast für Interventionsstrategien gegen Malaria geeignet sind. / Malaria is caused by Plasmodium, an obligate intracellular eukaryotic pathogen that belongs to the phylum Apicomplexa. Apicomplexan parasites harbor an unusual plastid organelle, termed apicoplast. Because this unique organelle is indispensable for parasite growth it is a validated and attractive drug target. Using the rodent malaria parasite Plasmodium berghei, two different aspects of apicoplast protein functions were analyzed in this study. Firstly, a previously uncharacterized Plasmodium apicoplast protein, Plasmodium-specific Apicoplast protein important for Liver Merozoite formation (PALM), was investigated. Three independent palm— knockout parasite lines were generated by targeted gene deletion. While the resulting knockout mutants developed normally for most of the life cycle, merozoite release into the blood stream and the ability to establish an infection was severely impaired. Experimental immunization of mice with palm— sporozoites elicited unprecedented potent and long-lasting protection against malaria re-infection. The results indicate that a tailor-made arrest in the final steps of hepatic merozoite formation could be an improvement over first-generation early liver-stage genetically arrested parasites (GAPs). Secondly, the six nuclear-encoded components of the apicoplast [Fe-S] cluster biosynthesis pathway were systematically targeted by experimental genetics. Together, my studies show that the Plasmodium apicoplast harbors previously unrecognized targets for anti-malaria intervention strategies.

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.

Die chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen Morbus Crohn und Colitis ulzerosa sind wiederkehrende, nicht heilbare, immunvermittelte Krankheiten unklarer Ursache. Genetische Prädisposition und Umweltfaktoren können die Barrierefunktion der Darmmukosa stören, so dass eine überschiessende Entzündungsreaktion folgt, die durch kommensale Bakterien der normalen Darmflora verstärkt wird. Die Infektion mit H. pylori im Magen kann zu Gastritis, Ulkuskrankheit und der Entstehung von MALT-Lymphomen und Magenkarzinomen führen. An der Erkennung von bakteriellen Bestandteilen im Gastrointestinaltrakt sind Toll-like-Rezeptoren (TLR), als Komponenten des angeborenen Immunsystems maßgeblich beteiligt. In der vorliegenden Arbeit wurden Veränderungen der Bakterienflora bei Ileitis, Colitis und bei Vorliegen einer H. pylori-Infektion im Mausmodell untersucht. Durch eine globale Florenanalyse mit klassischen mikrobiologischen und molekularbiologischen Techniken konnte gezeigt werden, dass die Konzentrationen an Gram-negativen Stäbchenbakterien während der Entzündung in Ileum und Colon anstiegen. Die bakteriellen Faktoren, die eine Ileitis induzierten, wurden durch den Einsatz von gnotobiotischen TLR-defizienten Mäusen mit definierter bakterieller Rekolonisierung ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass eine Ileitis durch das LPS von akkumulierenden E. coli über die TLR4-vermittelte Signaltransduktion verstärkt wurde. Die Entzündungsreaktionen konnten durch Behandlung mit Antibiotika oder dem LPS-Antagonisten Polymyxin B gebessert werden. In Folge einer H. pylori-Infektion kam es im Mausmagen zu einer erhöhten Diversität der Bakterienflora durch die Besiedelung mit Bakterienarten, die normalerweise das Colon kolonisieren. Eine derartige Florenverschiebung konnte durch eine Vakzinierung gegen H. pylori verhindert werden. Die Tiermodelle zur T. gondii-induzierten Ileitis und DSS-Colitis erlauben eine reproduzierbare Analyse entzündungsrelevanter Komponenten und damit die Möglichkeit, therapeutische Ansatzpunkte, wie z.B. den Einsatz von Lipopolysaccharid-Inhibitoren, die Blockade von TLR4 oder dem LPS-Bindeprotein oder den Einsatz von Probiotika, unter definierten Bedingungen zu analysieren. / Inflammatory bowel diseases like Crohn´s disease and ulcerative colitis are chronic, relapsing, immunologically mediated disorders with uncertain etiology. Genetic abnormalities and environmental factors may have negative influences on the physiologic barrier function of the intestinal mucosa with inflamamtion coming up after immune response which is aggravated by commensal intestinal bacteria. The infection of H. pylori can cause gastritis and ulcus disease and contribute to the occurence of MALT lymphoma and gastric cancer. Bacterial ligands in the intestine are recognized by toll-like receptors (TLR) which are one component of the innate immune system. This study observed variations of the bacterial flora in mice with ileitis, colitis or H. pylori-infection. Performing a global survey of the intestinal flora combining culture based techniques with molecular methods, it was observed, that the concentration of gram-negative rods is elevated during ileitis or colitis. The bacterial factors, which are capable of inducing ileitis, could be confirmed using gnotobiotic TLR-deficient mice with a defined bacterial recolonization. It was clearly shown that ileitis was aggravated by LPS of accumulating E. coli through a TLR4-mediated signal transduction. The inflammation was ameliorated through antibiotic treatment or after application of the LPS-scavenger polymyxin B. H. pylori infection of mice leads to an increase of bacterial diversity in the stomach and bacterial species which are normally colonize the colon were detected after infection. Vaccination against H. pylori could prevent this diversity shift. The animal models for the T. gondii-induced ileitis and DSS-colitis used in this study offering the reproducible analysis of inflammation relevant components so that new approaches of treatment like inhibition of lipopolysaccharide, blockage of TLR4 or LPS binding protein or application of probiotics could be studied under well defined conditions.

Die Entwicklung einer mukosal verabreichbaren, effektiven DNA-Vakzine gegen Infektionskrankheiten oder Tumorerkrankungen auf der Basis invasiver attenuierter Bakterien ist eine vielversprechende Alternative zu bisherigen parenteralen Strategien der genetischen Vakzinierung. Innerhalb dieser Arbeit wurden Salmonellen-Impfstämme für die orale Übertragung eines eukaryontischen Expressionsplasmids mit dem kleinen Oberflächenantigen des Hepatitis-B-Virus (HBsAg) als Modellantigen optimiert. Die kontinuierliche Sezernierung von Plasmiden als filamentöse Phagenpartikel wurde als ein erster Ansatz getestet, um mit lebenden Bakterien eine DNA-Vakzine innerhalb infizierter Zellen freizusetzen. Die Salmonellen-vermittelte Phagensekretion in der Wirtszelle ist jedoch nicht effizient genug, die Expression des Transgens zu vermitteln. Alternativ wurde ein Ansatz gewählt, durch eine spontan induzierte Lyse der Impfbakterien, Plasmid-DNA in die Wirtszelle zu übertragen. Dazu wurde ein neuartiges bakterielles Autolysesystem etabliert, basierend auf einem Zwei-Phasen-Expressionssystem und von Bakteriophagen abgeleiteten Lysedeterminanten. Dieses System ermöglicht erstmals die kontinuierliche Freisetzung von Plasmid-DNA und Proteinen aus einzelnen, lysierenden Salmonellen innerhalb einer sonst gesunden bakteriellen Gesamtpopulation. Innerhalb infizierter COS7-Zellen führt die Freisetzung des porenformierenden Proteins Listeriolysin O durch autolytische Salmonellen zur Zerstörung der Vakuole, in der die Impfbakterien replizieren, und erleichtert somit den Transfer der Plasmid-DNA aus den Bakterien in das Zytoplasma der Wirtszelle. Die Lysedeterminante und die eukaryontische Expressionskassette für HBsAg wurden auf einem Plasmid kombiniert, sowie eine Kassette zur konstitutiven Expression des Histon-ähnlichen Proteins aus Thermotoga maritima (TmHU) in ein solches Konstrukt integriert. TmHU stabilisiert die Plasmiderhaltung unter nicht selektiven Bedingungen und besitzt das Potential, die Effizienz der DNA-Translokation innerhalb der Wirtszelle zu erhöhen. Durch die orale Gabe optimierter autolytischer Impfbakterien konnte eine potente HBsAg-spezifische Antikörperantwort sowie eine zytotoxische zelluläre Antwort induziert werden. Bereits die einmalige Gabe der autolytischen Bakterien induzierte eine höhere antigenspezifische Antikörperantwort, als die herkömmliche intramuskuläre DNA-Vakzine. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Konzept autolytischer Salmonellen stellt also eine neuartige, effiziente Strategie für den mukosalen DNA-Transfer dar. Die Übertragung des Konzeptes der Autolyse auf andere bakterielle Trägersysteme ist möglich und kann zur Erweiterung des Anwendungspektrums bakterieller Vektoren beitragen. / The development of an effective mucosal DNA vaccine against infectious diseases or tumors based on invasive attenuated bacteria is a very promising alternative to common parenteral routes of genetic vaccination. This work aimed at the optimization of Salmonella vaccine strains for the oral delivery of an eukaryotic expression plasmid encoding the small Hepatitis B Virus surface antigen (HBsAg), here used as model antigen. The continuous secretion of plasmids as filamentous phage particles was first tested as a mean for the delivery of the DNA vaccine by living bacteria inside infected host cells. However, Salmonella-mediated phage secretion inside cells did not suffice for the induction of transgene expression. As alternative approach, inducible spontanous lysis of bacteria was used to mediate the release of plasmid DNA into host cells. For this purpose a novel bacterial autolytic system was established on the basis of a two-phase expression system and lysis determinants derived from bacteriophages. This system allows for the first time the continuous release of plasmid DNA and proteins from only few lysing Salmonella within an otherwise healthy bacterial population. Inside COS7 cells the release of the pore-forming protein listeriolysin O by autolytic Salmonella mediates the destruction of the Salmonella-harbouring vacuole, thereby facilitating the transfer of plasmid DNA from bacteria into the host cell cytoplasm. The lysis determinant was combined with the eukaryotic expression cassette for HBsAg on one plasmid. In addition, a cassette for the constitutive expression of TmHU, a histon-like protein derived from Thermotoga maritima, was integrated in such vector. TmHU stabilizes the plasmid propagation in the absence of selective pressure and has the potential to increase the efficiency of plasmid translocation inside the host cell. The oral administration of the optimized autolytic bacteria stimulated a potent HBsAg-specific antibody response as well as a cytotoxic cellular response. Already a single inoculation of the oral vaccine induced a higher specific antibody response than the conventional intramuscular DNA vaccine. Therefore the concept of autolytic Salmonella carrier strains developed in this work constitutes a novel efficient strategy for mucosal DNA delivery. The transfer of this concept to other bacterial carriers is possible and may widen the application field for bacterial vectors.