Le paludisme constitue un problème majeur de santé publique en zone tropicale et subtropicale. La morbidité ainsi que la mortalité sont principalement dues au parasite Plasmodium falciparum transmis à l'homme par la piqûre de moustiques femelles du genre Anopheles. Dans le but d'orienter au mieux les stratégies d'élimination du paludisme et d'une meilleure évaluation de l'efficacité des méthodes de lutte, les indicateurs mesurant le risque de transmission doivent être plus sensibles. Il a été montré que la réponse anticorps humaine contre des protéines/peptides salivaires d'Anopheles représente un bio-marqueur d'exposition aux piqûres de moustiques et pouvait être un indicateur de la transmission du paludisme. Toutefois cet outil doit être optimisé. Ce travail a ainsi un double objectif : i) valider la protéine salivaire CE5 comme bio-marqueur d'exposition aux piqûres d'Anopheles et comme indicateur évaluant l'efficacité de stratégie de lutte anti-vectorielle, et 2) identifier de nouvelles protéines salivaires comme candidat bio-marqueur spécifique à l'exposition de l'homme aux seules piqûres infectantes d'Anopheles. Tout d'abord, nous avons démontré que la réponse anticorps IgG contre la protéine CE5 pourrait être un indicateur du contact homme-vecteur, complémentaire et très sensible, en mesurant l'exposition de l'homme aux piqûres d'Anopheles et un outil évaluant l'efficacité, à court terme, des moustiquaires imprégnées d'insecticide. Par la suite, les méthodes de protéomique 2D-DIGE et de spectrométrie de masse ont permis d'identifier cinq protéines salivaires (gSG6 , gSG1b , TRIO , SG5 et la forme longue D7) qui sont surexprimées dans les glandes salivaires d'An. gambiae infectées par P. falciparum. Des peptides de chaque protéine, définis in silico, apparaissent antigéniques chez des individus exposés aux piqûres d'Anopheles, après évaluation par la technique d'épitope mapping. L'ensemble de ces travaux est non seulement une première étape pour optimiser cet outil immuno-épidémiologique évaluant le contact homme-vecteur mais démontre également la possibilité de définir un nouveau bio-marqueur qui serait spécifique des piqûres infectantes d'Anopheles. / Malaria is a major public health problem in tropical and subtropical areas. Morbidity and mortality are mainly due to Plasmodium falciparum transmitted to human individuals by the bite of female Anopheles mosquitoes. In order to orientate appropriate strategies for malaria elimination and for a better evaluation of the efficacy of control methods, the indicators measuring the risk of transmission should be more sensitive. It has been shown that the human antibody response against Anopheles salivary proteins/peptides represents a biomarker of exposure to mosquito bites and could be an indicator of malaria transmission. However, this tool must be optimized. This work has thus two objectives: i) to validate the salivary protein cE5 as biomarker of exposure to Anopheles bites and as an indicator for evaluating the efficacy of vector control strategy, and 2) to identify new salivary proteins as a candidate biomarker only specific to human exposure to infective bites of Anopheles.First, we demonstrated that the IgG antibody response to cE5 protein could be an indicator of human-vector contact, complementary and very sensitive, measuring the human exposure to Anopheles bites and a tool evaluating the short-term efficacy of insecticide treated nets. Subsequently, the proteomic methods, 2D - DIGE and mass spectrometry, allowed to identify five salivary proteins (gSG6, gSG1b, TRIO, SG5 and the long form D7) which are overexpressed in the salivary glands of An . gambiae infected by wild P. falciparum. Peptides for each protein, identified in silico, appear antigenic in individuals exposed to Anopheles bites, after the evaluation by the epitope mapping technique.Altogether, this work is not only the first step to optimize this immuno-epidemiological tool assessing the human-vector contact, but also demonstrates the possibility to define a new biomarker specific to the infective bites of Anopheles.

Dans cette thèse, nous avons étudié l'influence de plusieurs variants génétiques situés dans les régions chromosomiques 5q31-q33, 6p21, et 17p12, pour lesquelles une liaison génétique avec des phénotypes de paludisme a été montrée.Les gènes NCR3 et TNF, qui sont situés dans la région chromosomique 6p21, ont été associés au paludisme dans une population vivant au Burkina Faso. Nous avons répliqué ces études dans une population congolaise afin deconfirmer les associations des polymorphismes avec les accès palustres simples et la parasitémie symptomatique. Nos résultats montrent que le polymorphismeNCR3-412 est associé avec les accès palustres simples au Congo, et que les polymorphismes TNF-308, TNF-244, et TNF-238 sont associés avec les accès palustres simples ou la parasitémie symptomatique. En outre, nos analyses bioinformatiques suggèrent que les polymorphismes TNF-244 et TNF-238 agissent en synergie pour modifier le site de fixation pour au moins un facteur de transcription.Les deux gènes HS3ST3A1 et HS3ST3B1, qui sont situés dans la région chromosomique 17p12, sont impliqués dans la biosynthèse des heparanes sulfates. Dans cette étude, nous avons étudié l'association d’un polymorphisme situé dans le promoteur de HS3ST3A1 avec les accès palustres simples et la parasitémie symptomatique, et n’avons détecté aucune association. Nous avons étudié en outre le gène NDST1, situé dans la région chromosomique 5q31-q33, et qui code également pour une enzyme impliquée dans la voie héparane sulfate. Des résultats préliminaires encourageants soutiennent l'hypothèse que la variation génétique de NDST1 influence la parasitémie asymptomatique. / In this thesis, we investigated the influence of some genetic variants located within chromosomes 5q31-q33, 6p21, and 17p12, which have been shown to be linked to malaria phenotypes. The genes NCR3 and TNF, which are located in the chromosomal region 6p21, have been reported to be associated with malaria in Burkina Faso population. We have replicated those studies in Congolese population to evaluate the associations of the SNPs in those genes with mild malaria attack and Plasmodium parasitemia. The results showed that the variant NCR3-412 is associated with mild malaria in Congo, and TNF-308, TNF-244, and TNF-238 are associated with mild malaria attack, maximum parasitemia, or both. In addition, bioinformatic studies suggest that TNF-244 and TNF-238 synergise to alter the binding of transcription factors.The two genes HS3ST3A1 and HS3ST3B1, which are located in chromosomal regions 17p12, are involved in the heparan sulfate proteoglycan biosynthesis. In this study, we further investigated the association of the polymorphisms in these genes with mild malaria attack and maximum parasitemia. However no association was found. We further studied the NDST1 gene, which is located within chromosome 5q31-q33, and which encodes the bifunctional enzyme N-deacetylase/ N-sulfotransferase 1, and also participates in the heparan sulfate synthesis . Encouraging results support the hypothesis that NDST1 variation influence controlling parasitemia. Further association and functional studies are needed to validate the role of NDST1 in malaria infection. More generally, the enzymes involved in the heparan sulfate pathway might play a key role in controlling malaria infection.

Le contrôle du paludisme ne semble aujourd'hui envisageable que par stratégies combinées ciblant différents stades du parasite. Chez le vecteur, certains mécanismes de la réponse immunitaire pourraient être manipulés pour bloquer le développement sporogonique du parasite. Cette thèse examine les effets de la diversité du vecteur et du parasite dans le couple le plus important en termes d'épidémiologie, A. gambiae - P. falciparum. Des polymorphismes de gènes de l'immunité du moustique contrôlant le niveau d'infection ont été identifiés par étude d'association. Certains d'entre eux ont un effet spécifique selon les isolats de parasites, suggérant de potentielles interactions génotype X génotype. Nous avons déterminé un déséquilibre de liaison très bas dans les populations naturelles de vecteurs, validant notre approche par gènes candidats. Les caractéristiques et les forces évolutives faisant d'A. gambiae un vecteur du paludisme majeur sont discutées. Les diverses populations de vecteurs et parasites peuvent interagir de manière spécifique. Pour tester cela, des infections par des isolats de parasites sympatriques et allopatriques ont été comparées, montrant des intensités plus faibles dans les couples sympatriques. Les profils d'expression des gènes montrent cependant peu de régulations spécifiques aux populations, mais plutôt des différences extrêmes selon les isolats de parasites. Ces résultats suggèrent des effets importants de la diversité entre populations et individus. En conclusion, cette thèse souligne l'importance de la prise en compte de la diversité naturelle des vecteurs et parasites dans les recherches futures sur leurs interactions. / To achieve malaria control a variety of approaches must be combined targeting different stages of the parasites life cycle. With better understanding of mosquito immunity, it is hoped that aspects of natural resistance can be manipulated to prevent parasite development. This thesis investigates the effect of both mosquito and parasite diversity on the mosquitoes response to malaria using the most important human malaria system; Anopheles gambiae-Plasmodium falciparum in natural/semi-natural conditions. Mosquito loci are identified that significantly control infection phenotype, some of which act in a parasite isolate specific manner, highlighting their potential involvement in genotype by genotype interactions. Such research is moving towards genomewide studies; however, on finding very low linkage disequilibrium in wild mosquitoes, it favors candidate gene association studies. A. gambiae characteristics that make it such a good malaria vector are discussed and the evolutionary forces driving these traits. Selection behind vector-parasite interactions can differ spatially and temporally causing specificities in sympatric couples. Sympatric and allopatric mosquito infections with malaria are compared, showing that sympatric infections develop lower infection intensities suggesting local adaptation. Mosquito gene expression profiles highlight a small number of genes differentially regulated between sympatric and allopatric infections, however extreme differences in gene regulation are observed within populations, probably driven by the variable nature of malaria parasites. This thesis highlights the importance of taking into account natural diversity in future research.

Le paludisme, maladie parasitaire et vectorielle, sévissant principalement dans les zones intertropicales où vit près de 40% de la population mondiale, reste un problème majeur en santé publique. Les cinq espèces de Plasmodium connues infectées le paludisme chez l'homme sont présentes au Cambodge, qui est reconnu comme l'épicentre de l'émergence de souches de P. falciparum multi-résistantes (chloroquine, sulfadoxine- pyriméthamine, méfloquine, artémisinine), pouvant entraver les progrès accomplis depuis plus d'une décennie. Le travail de thèse intitulé « Approche génomique et bio-informatique de l'émergence et de la diffusion des résistances chez Plasmodium au Cambodge » avait pour objectif de développer de nouveaux outils moléculaires et biologiques pour 1) une meilleure compréhension de l'impact des stratégies mises en place pour lutter contre le paludisme à P. falciparum sur les autres espèces de Plasmodium, 2) la mise en place d'outils biologique et moléculaire, permettant de mieux définir l'épidémiologie des parasites résistants, en particulier la résistance à la quinine et aux dérivés de l'artémisinine, 3) l'étude et la définition des sous-populations parasitaires circulant au Cambodge afin d'estimer les risques associés à la diffusion de la résistance à l'artémisinine. Cette thèse a été réalisée dans l'Unité d'Epidémiologie Moléculaire du Paludisme à l'Institut Pasteur du Cambodge (IPC) sous la codirection du Dr. Didier Ménard (Chef de laboratoire à l'IP) et du Pr. Emmanuel Cornillot (Professeur à l'Université Montpellier I). Le premier objectif visait à étudier l'impact de la pression médicamenteuse sur la dynamique d'évolution des populations parasitaires. Nous avons d'abord évalué le polymorphisme des gènes associés à la résistance à la pyriméthamine (gène dhfr, dihydrofolate reductase) chez Plasmodium malariae et Plasmodium ovale (article 1 et manuscrit en préparation1), et le polymorphisme du gène mdr-1 (multidrug resistance 1) associé à la résistance à la mefloquine chez P. vivax (article 2). De plus, en collaboration avec l'Institut Pasteur de Madagascar, nous avons étudié le lien pouvant exister entre le polymorphisme du gène candidat Plasmodium falciparum Na+/H+ exchanger (Pfnhe-1) et la résistance (clinique et in vitro) de P. falciparum à la quinine (articles 3 et 4).Le deuxième objectif s'est interessé au développement d'outils biologiques et moléculaires permettant d'évaluer la résistance des souches de P. falciparum aux dérivés de l'artémisinine. Les 3 articles présentés (articles 5, 6 et 7) decrivent la méthodologie d'approche originale utilisée associant la génomique, la biologie, la clinique et l'épidémiologie, qui a permis d'aboutir à la découverte d'un marqueur moléculaire (mutations au sein du gène Kelch 13) fiable pour identifier les souches résistantes aux dérivés de l'artémisinine.Le dernier objectif était consacré au développement de la technique PCR-LDR-FMA appliqué à la détection d'un panel de 24 SNPs permettant de caractériser par un « barcode » chaque isolat de P. falciparum. Cette technique couplée avec une analyse bio-informatique et statistique des données nous a permis d'étudier et de définir la structuration des populations parasitaires circulant au Cambodge afin d'estimer les zones à risque de diffusion de la résistance à l'artémisinine (manuscrit en préparation 2).A travers ce travail de thèse, nous nous sommes efforcés de montrer la puissance des techniques de biologie moléculaire disponibles couplées avec des approches génomique et bio-informatique pour améliorer notre compréhension de la dynamique d'évolution des populations parasitaires. Ce travail s'est essentiellement concentré sur les phénomènes liés à l'émergence et de la diffusion des parasites résistants aux antipaludiques, le but final de ce travail étant d'améliorer les stratégies de lutte mises en place pour atteindre l'ambitieux objectif d'élimination du paludisme. / Malaria, a protozoan vector-borne disease, is mainly prevalent in tropical areas, where nearly 40% of the world population is residing and remains one of the most concerns for public health worldwide. In Cambodia, the five Plasmodium species known to cause malaria in humans are present. The main feature of this country is that it is recognized as the epicenter of the emergence of multi-resistant P. falciparum parasites (to chloroquine, sulfadoxine-pyrimethamine, mefloquine, and artemisinin), a very significant menace to public health in the Mekong region that could impact the worldwide strategy to fight malaria. The thesis presented here, entitled “Genomics and Bioinformatics in the emergence and spread of resistant Plasmodium in Cambodia” aimed to develop new molecular and biological tools for:1) improving our understanding of the collateral impact of the strategies implemented to fight against falciparum malaria on the other Plasmodium species; 2) defining the molecular epidemiology of antimalarial resistant parasites, especially resistance to quinine and artemisinin derivatives;3) studying and defining the structure of P. falciparum parasite populations circulating in Cambodia to estimate areas at risk of spread of artemisinin resistance, using genomic approaches and bioinformatics. This thesis was carried out in the Malaria Molecular Epidemiology Unit at Pasteur Institute in Cambodia (IPC) under the co-direction of Dr. Didier Ménard (Head of the Unit, IP) and Pr. Emmanuel Cornillot (Professor, University of Montpellier I). The first objective of this work was to study the impact of drug used to treat falciparum malaria on the dynamics of other Plasmodium species. In a first step, we evaluated the polymorphism in gene associated to pyrimethamine resistance (dhfr gene, dihydrofolate reductase) in Plasmodium malariae and in Plasmodium ovale (article 1 and manuscript in preparation 1) and the polymorphism in mdr-1 gene (multidrug resistance 1 gene) associated to mefloquine resistance in P. vivax (article 2). Secondly, in collaboration with Pasteur Institute in Madagascar, we investigated the association between the polymorphism in Plasmodium falciparum Na + / H + exchanger gene (Pfnhe-1) and quinine resistance defined either by clinical or in vitro phenotypes (articles 3 and 4). The second objective was focused on the development of novel biological and molecular tools to assess the resistance of P. falciparum to artemisinin derivatives. The three papers presented (articles 5, 6 and 7) describe an original approach combining genomics, biological, clinical and epidemiological studies, which lead to the discovery of a molecular marker (mutations Kelch 13 gene) associated to artemisinin resistance.The third and final objective was devoted to the development of the PCR-LDR-FMA technology applied to the detection of a panel of 24 SNPs to characterize a "barcode" of P. falciparum isolates. This technic coupled with bioinformatics and statistical analysis allowed us to study and define the structure of the parasite populations circulating in Cambodia for estimating areas at risk of spread of artemisinin resistance (manuscript in preparation 2). Through this work, we have tried to show the usefulness of available molecular biology methods coupled with genomic and bioinformatics approaches to improve our understanding of the dynamics of the malaria parasite populations. This work has been mainly focused on the emergence and spread of antimalarial resistant parasites, keeping in mind that the ultimate goal of this work was to improve strategies implemented to achieve the ambitious goal of malaria elimination.

Résumé : La biologie évolutive permet de comprendre et de retracer l'origine des espèces ou des populations, de comprendre leurs dispersions dans différentes zones et d'analyser les différentiations résultant de ces évolutions. L'invasion biologique et les espèces envahissantes en général sont de bons modèles pour étudier et comprendre l'adaptation à de nouveaux environnements. Plasmodium falciparum, un protozoaire parasite agent du paludisme, a envahit de nouvelles populations hôtes et de nouvelles espèces de vecteurs à plusieurs reprises. Notre objectif était d'étudier (i) l'introduction, l'origine et la distribution de P. falciparum dans des environnements radicalement différents : dans une nouvelle aire géographique tout d'abord (en Amérique du Sud) puis dans une nouvelle espèce hôte (chez les primates) et (ii) de déterminer les gènes potentiellement impliqués dans l'adaptation à ces nouveaux environnements. Ces questions ont été abordées à travers différentes approches réunissant des analyses de génétique des populations, de phylogéographie ainsi que des analyses phylogénétiques. Les résultats obtenus démontrent pour la première fois que, P. falciparum a été introduit par l'homme au moins à deux reprises en Amérique du Sud à partir de l'Afrique. Cette thèse a aussi permis de démontrer pour la première fois que ce parasite circule naturellement chez les primates non-humains. L'analyse des patrons de sélection sur des gènes candidats jouant un rôle dans l'invasion des hématies par le parasite a été réalisée afin de déterminer si des évolutions adaptatives particulières avaient opérées sur ces gènes dans ces nouveaux environnements. L'ensemble de nos résultats démontrent que P. falciparum peut être considéré comme une espèce envahissante et que ce parasite n'est en fait pas spécifique à l'homme. L'ensemble de notre travail nous a permis d'avancer dans la connaissance de ce modèle biologique en termes de stratégie d'émergence ou de réémergence dans différents environnements. Nos résultats soulignent les changements qui ont opéré dans la distribution géographique et l'émergence du spectre d'hôte utilisé par P. falciparum au cours de son histoire évolutive passée et présente ce qui peut laisser craindre d'autres évolutions à l'avenir.Mots clés : Invasion biologique, espèce invasive, parasite, origine, adaptation, sélection, maladies émergente, Plasmodium falciparum, Amérique du Sud, génétique des populations, phylogéographie, marqueurs moléculaires, singes. / Abstract: The evolutionary biology allows to understand and to trace the origin of species or populations, to understand their dispersions in different areas and analyse the resulting differentiation of these developments. The biological invasion and invasive species, in general, are good models to study and understand the adaptation to new environments. Plasmodium falciparum, a protozoan parasite, agent of the malaria, invades a new host and new vector species at several times. The objective of this thesis was to analyse (i) introduction, origin and distribution of P. falciparum in radically different environments; first, a new geographical area (South America); second, a new host species (in primates); and (ii) identify genes potentially involved in adaptation to new environments. I addressed these questions using different approaches, including population genetics, phylogeographic analyses, and also phylogenetic analyses. The results demonstrate for the first time, P. falciparum has been introduced by humans at least twice in South America from Africa. This thesis has also demonstrated for the first time that this parasite circulates naturally in nonhuman primates. The analysis of the patterns of the selection on candidate genes play a role in the invasion of erythrocytes by the parasite was performed to determine if adaptive evolutions were occur on these specific genes in these new environments. Overall, our results demonstrate that P. falciparum can be considered an invasive species and that parasite is not specific to humans. All of our work allowed us to advance in the knowledge of the biological model in terms of strategy emergence or reemergence in different environments. Our results highlight the changes that have taken place in the geographical distribution and the emergence of host range used by P. falciparum during its evolutionary history, past and present which may raise concerns of other developments in the future. Keywords : Biological invasion, invasive species, parasite, origin, adaptation, selection, emerging infectious diseases, Plasmodium falciparum, South America, population genetics, phylogeography, molecular markers, apes.

RNAs não codificantes (ncRNAs) têm ganho crescente prestígio nos últimos anos devido a recentes e contínuas descobertas revelando sua diversidade e importância. Porém, a identificação dessas moléculas ainda é um problema em aberto. Em particular, Plasmodium falciparum é um desafio para a pesquisa de ncRNAs, onde poucos foram identificados até o momento. P. falciparum é o parasita que causa uma malária humana letal. A descoberta de novos ncRNAs neste organismo pode auxiliar no desenvolvimento de novos tratamentos. Este trabalho faz um estudo sobre técnicas computacionais para a predição de ncRNAs e, utilizando como objeto de estudo P. falciparum, propõe uma metodologia de predição que seja aplicável inclusive a genomas com viés composicional. A ênfase deste estudo foi a predição de ncRNAs família-específicos, utilizando o componente RNA da telomerase como objeto de estudo. Este é um importante RNA que, devido à sua alta taxa de mutação, é de difícil identificação. Este RNA ainda não foi identificado em P. falciparum. No entanto, evidências biológicas indicam que este RNA é presente, funcional e deve ser essencial ao parasita, caracterizando-se como um alvo de drogas. Além disso, foi realizado um trabalho preliminar sobre a predição de ncRNAs em geral em P. falciparum utilizando uma abordagem comparativa. / Noncoding RNAs (ncRNAs) have been receiving increasing prestige in the last years due to recent and continuous discoveries revealing their diversity and importance. However, the identification of these molecules is still an open problem. In particular, Plasmodium falciparum is a challenge for the ncRNA research, in which few ncRNAs have been identified. P. falciparum is the parasite that causes a lethal human malaria. The discovery of new ncRNAs in this organism may help in the development of new treatments. This work does a research of computational techniques for the ncRNA prediction and, by using P. falciparum as target, proposes a prediction methodology which is also applicable to compositionally biased genomes. The emphasis of this study was the prediction of family-specific ncRNAs, by using the telomerase RNA component as target. This is an important RNA that has a high mutation rate, being difficult to predict. This RNA has not been identified in P. falciparum, yet. However, biological evidences indicate this RNA is present, functional and might be essential for the parasite, being a drug target. In addition, this work presents preliminary results about the prediction of general ncRNAs in P. falciparum by using a comparative approach.

É proposto que vias de sinalização controlem a sobrevivência e adaptação do Plasmodium, nos diferentes hospedeiros. No presente trabalho buscamos por diferentes abordagens estudar a via de sinalização de melatonina em P. falciparum. Para isso, avaliamos os níveis de RNA mensageiro de genes do sistema-ubiquitina proteossomo (UPS) bem como o perfil de ubiquitinação resultante do tratamento de parasitas com melatonina. Mostramos que a proteína quinase 7 de P. falciparum (PfPK7) atua na modulação dos genes do UPS em resposta a melatonina. Avaliamos também se o parasita é responsivo ao ácido indol-3-acético (AIA). Sabendo-se da importância de receptores de membrana na regulação de diversas funções celulares incluindo a percepção do meio externo, buscamos caracterizar um receptor serpentino putativo identificado previamente pelo grupo. Pudemos concluir que a via de sinalização por melatonina em P. falciparum envolve a participação da PfPK7, uma vez que em parasitas nocautes para pfpk7 são irresponsivos à melatonina quando comparados ao parental. / It is proposed that signaling pathways can control the parasite survival and adaptation into the hosts. In the present work we inquire about to study the melatonin signaling pathway trhough different metodologies. For this purpose we have analized post-translational modification of melatonin signaling, through ubiquitin-proteasome system (UPS) mRNA levels as well as the profile of ubiquitination resulted of melatonin treatment when compared with control. Moreover, we have found here that the P. falciparum protein kinase 7 (PfPK7) plays a major role in ubiquitin-proteasome system mRNA modulation in response to melatonin since parasites knockout to pfpk7 gene do not upregulate the UPS genes in response to melatonin. As for melatonin we have evaluated if P. falciparum parasites were responsive to indoleacetic acid. Last but not least, we made an effort to characterize a putative serpentine receptor previously identified by our group. We conclude that melatonin signaling pathway involves PK7 participation since pfpk- parasites are irresponsives to melatonin.

Malariakontrolle ist von Resistenzen gegen Malariamedikamente wie Chloroquin (CQ) und Artemisininderivaten (ART) bedroht. Hier untersuchten wir das Ausmaß dieser Resistenzen in Fünf Feldstudien in Nigeria, Ruanda und Südwestindien unter Beurteilung der Prävalenzen Arzneimittelresistenz-assoziierter Mutation der Plasmodium-Parasiten (P. falciparum: K13, dhps, dhfr, mdr1 und P. vivax: mdr1) z.T. in Korrelation mit klinischen Patientendaten und ex-vivo Überlebensraten (ÜLR) unter Zugabe von ART. K13 wurde in 360 zwischen 2010-2018 gesammelte ruandischen P. falciparum Isolaten genotypisiert. Erstmals fanden wir dort niedrige Frequenzen der mit ART-Resistenz assoziierten K13-Mutation. Jedoch lassen Mutation mit niedrigen ÜLR, sowie ein Isolat mit hohen ÜLR aber ohne K13-Mutation eines Patienten der die Infektion unter Therapie nicht eliminieren konnte, Fragen offen. Ca.100 indische P. falciparum und P. vivax Isolaten aus 2015 wurden auf Mutationen in P. falciparum Markern für die Resistenz gegen Sulfadoxin-Pyrimethamin (SP) (d.h. pfdhps/pfdhfr), Artesunat (AS) (d.h. K13) und Lumefantrin (d.h. pfmdr1) sowie P. vivax Marker für CQ-Resistenz (pvmdr1) untersucht. Der Großteil der Isolate zeigt Mutationen die SP-Resistenz hervorrufen, daher könnte die Effizienz der AS+SP-Therapie begrenzen sein. Außerdem eignet sich Lumefantrin nicht als alternatives Medikament auf Grund der beobachteten Dominanz des pfmdr1-Haplotyps „NFD“. Die Abwesenheit der pvmdr1-Mutation Y976F und erfolgreiche Behandlungen zeigen, die Wirksamkeit von CQ gegen vivax Malaria im Studiengebiet. Auch Isolate von nigerianischen Schwangeren mit asymptomatischer P. falciparum Infektion zeigten hohe Prävalenzen von pfdhfr/pfdhps Vier- und Fünffachmutanten darum ist die Wirksamkeit der präventiver Therapie Schwangerer mit SP in Nigeria ernsthaft gefährdet. Die Daten spiegeln die Häufigkeit der Resistenzen gegen Malariamittel in diesen Gebieten wieder mit großen Unterschieden zwischen Regionen und Medikamenten. / The spread of resistance to antimalarial drugs such as chloroquine (CQ) and artemisinins (ART) is a great threat to malaria control. Here, we investigated the extent of such resistance in Nigeria, Rwanda and south-western India. We assessed the prevalence of mutations in few Plasmodium parasites’ markers of resistance, namely P. falciparum genes K13 (ART), pfdhps/pfdhfr (sulfadoxine-pyrimethamine, SP) and pfmdr1 (lumefantrine) as well as P. vivax gene pvmdr1 (CQ) in 5 field studies conducted in 2010-2018, and partially correlated the results to patients’ clinical outcome. Few isolates from Rwanda, were also evaluated for their parasite ex vivo survival rates (SR) upon exposure to ART. We tracked ART resistance in Rwanda by genotyping K13 in 360 P. falciparum isolates from 2010-2018. We showed for the first time that K13 mutations associated with ART resistance are present here, thus in Africa, at a low frequency. However, mutations occurred in patients who recovered and/or had low SR. Of note, one patient with high SR but no K13 mutation was still parasitemic after ART treatment. Moreover, we assessed the presence of mutations in K13, pfdhps/pfdhfr, pfmdr1 and pvmdr1 in ca 100 P. falciparum and 100 P. vivax isolates from south-western India. Most of P. falciparum isolates carried pfdhfr/pfdhps mutations conferring SP resistance, menacing the efficacy of SP-ART treatment. Also, the high prevalence of pfmdr1 haplotype “NFD” advised against the introduction of lumefantrine. The low rates of P. vivax pvmdr1 Y976F and patients’ successful parasite clearance, indicated that CQ remains effective in the area. Finally, a high rate of pfdhfr/pfdhps quadruple and quintuple mutant was observed in Nigerian pregnant women with asymptomatic P. falciparum infection, hence the effectiveness of preventive treatment with SP in pregnancy might be threatened. The data reflected the abundance of antimalarials resistance in these areas with important differences between regions and drugs.

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.

Malaria endemic areas not only pose a public health threat, but affects 3.3 billion people worldwide. In 2011, estimated malaria related deaths amounted to 660 000 out of 219 million reported cases, with 81% of these and 91% of malaria related mortality occurred in the African region. Those most affected were pregnant women, children under the age of five and immunocompromised individuals. Malaria is the fifth deadliest disease worldwide and accounts for the second highest death rate in Africa, following HIV/Aids. To combat this parasitic infection of antiquity, the ideal malaria pharmacotherapy would be a cost effective and easily obtainable monotherapy. The malaria parasite, however, has an intrinsic ability to develop drug resistance through various mechanisms. Widespread resistance towards antimalarial drugs has rendered traditionally used drugs therapeutically ineffective, hence accentuating the efficacy of the artemisinins as first line treatment option for uncomplicated Plasmodium falciparum (P. falciparum). A devastating reality of the challenging battle against malaria is the confirmed prolonged parasitic clearance times of the artemisinins, despite adequate drug exposure, which emphasises the urgent need for identifying and developing new, effective and safe therapies. During this study, 9-aminoacridines and artemisinin-acridine hybrids were successfully synthesised through nucleophillic substitution and their chemical structures confirmed by means of nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), high resolution mass spectroscopy (HRMS) and infrared spectroscopy (IR). The hybrid compounds were synthesised through microwave assisted radiation, by covalently linking the artemisinin- and amino-functionalised acridine pharmacophores by means of a liable aminoethyl ether chain. The target compounds were screened in vitro for antimalarial activity against both the chloroquine sensitive (NF54) and chloroquine resistant (Dd2) strains of P. falciparum. Their cytotoxicities were assessed against various mammalian cells of different origins, viz. the Chinese hamster ovarian cells (CHO) from animal origin, and from human origin, hepatocellular- (HepG2), neuroblastoma- (SH-SY5Y) and cervical cancer (HeLa) cells. The synthesised hybrids exhibited antimalarial activity against both Plasmodium strains. Compound 7, featuring an ethylenediamine moiety in the linker, was the most active hybrid, with 50% inhibitory concentration (IC50) values of 2.6 nM and 35.3 nM against the NF54 and Dd2 strains, respectively. It had gametocytocidal activity against the NF54 strain, comparable to dihydroartemisinin (DHA) and artesunate (AS) and it is significantly more potent than chloroquine (CQ), whilst possessing a resistance index value of 14, indicative of a significant loss of activity against the CQ resistant strain. Contrary, the promising hybrid 10, containing a 2-methylpiperazine linker, had gametocytocidal activity, comparable to CQ and was found to be six-fold more potent than CQ against the Dd2 strain, with a resistance index (RI) value of 2, whilst it further showed highly selective action towards the parasitic cells. Compound 10 was also found to possess anticancer activity against the HeLa cell line, comparable to DHA and AS, but fivefold higher than that of CQ, with the same levels of hepatotoxicity and neurotoxicity. The artemisinin-acridine hybrids displayed superior antimalarial activity, compared to the derived 9-aminoacridines against both the Plasmodium strains. They, however, did not have the ability to overcome resistance, reduce the toxicity of acridine, nor induce synergistic activity. The hybrids, indeed displayed promising anticancer activity against HeLa cells. It is anticipated that these compounds may stand as drug candidates for further investigation in the search for new anti-cervical cancer drugs, rather than as antimalarials. / MSc (Pharmaceutical Chemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014