Plasmodium vivax é o parasita causador de malária humana com maior distribuição global, responsável pela redução da qualidade de vida de milhões de pessoas ao redor do mundo. O objetivo geral do trabalho foi contribuir, através de metodologias estatísticas e de bioinformática, para o entendimento do mecanismo de escape da eliminação pelo baço do hospedeiro utilizado por P. vivax. Para isso, primeiramente realizou-se a análise estatística de um experimento de transcritômica, através de microarrays. Esse experimento foi conduzido previamente pelo grupo de colaboradores do presente estudo, utilizando um modelo animal, Aotus lemurinus griseimembra, com o objetivo de identificar genes de P. vivax expressos somente em parasitas retirados de macacos que possuíam o baço intacto. Em uma segunda fase, foi projetado um tiling array contendo todos os éxons e as regiões 5UTR e 3UTR disponíveis do genoma de P. vivax, que será utilizado para a realização de mais investigações a respeito da influência da presença do baço na expressão gênica de P. vivax. Na última etapa, foi conduzida uma melhoria na anotação funcional do genoma de P. vivax, através de uma metodologia automática, com o objetivo de adicionar informações para auxiliar na interpretação biológica dos resultados obtidos anteriormente e em estudos futuros. / Plasmodium vivax is the parasite that causes the human malaria type with the largest global distribution and it is responsible for quality of life impairment of millions of people around the world. The general purpose of this study was contribute to understand the mechanism used by P. vivax to scape from the host spleen elimination, through statistical methodologies and bioinformatics. First of all, we carried out statistical analysis of a microarray experiment conducted earlier by the collaborators of this study, using Aotus lemurinus griseimembra as model organism, in order to identify genes of P. vivax expressed only in parasites extracted from monkeys with intact spleen. In the second step, we designed a tiling array containing 5\'UTR, 3\'UTR and all the exons of the P. vivax genome, which will be used to perform more experiments to investigate the role of the spleen on the parasite gene expression. In the last step, we add information to the functional annotation of P. vivax genome, through an automated methodology, to improve the biological interpretation of the results previously obtained and in future studies.

Mosquitos transgênicos incapazes de transmitir malária podem ser um controle alternativo, mas atualmente não estão disponíveis. O estudo da interação mosquitopatógeno é importante para melhorar o desenho de genes. A proteína circumsporozoita (CSP) tem dois domínios conservados que podem estar envolvidos na penetração dos esporozoítos na glândula salivar. Nosso objetivo foi expressar peptídeos contendo essas regiões na hemolinfa do mosquito usando o sistema de expressão transiente vírus Sindbis e a tecnologia de transgênese. Se a CSP está envolvida neste processo, os peptídeos competirão com spz impedindo a penetração. Cinco vírus sindbis e quatro linhagens transgênicas foram construídos e desafiados por P. gallinaceum. Nossos resultados mostram que os peptídeos não impediram a penetração de spz na glândula salivar, principalmente porque os peptídeos recombinantes não foram produzidos ou detectados. Aprimorar o desenho de genes, usando a otimização de códons e outras tecnologias, será essencial para a expressão de proteínas exógenas em mosquitos transgênicos. / Transgenic mosquitoes that impair malaria transmission can be an alternative control but currently an effective line is not available. A better understanding of mosquito interaction with pathogens is very important to improve refractory transgene design. Circumsporozoite protein (CSP) has two conserved domains that could be involved in spz penetration into mosquito salivary glands. Our aim was to express peptides encompassing these conserved regions in the mosquito hemolymph using Sindbis virus transient expression system and transgenesis technology. If CSP is involved in this process these peptides will compete with sporozoites impairing its penetration. Five Sindbis virus and four transgenic lines were constructed and challenged with P. gallinaceum. Our results showed these peptides could not impair sporozoites penetration in salivary glands, mainly because the recombinant proteins could not be produced or detected. Improving transgene design using codon usage and other technologies will be essential for expressing foreign proteins in transgenic mosquitoes.

A falta de uma vacina eficaz e o problema da resistência aos fármacos têm dificultado o controle da malária. A busca de novos alvos biológicos para o desenvolvimento de antimaláricos eficazes tem se concentrado, em parte, na pesquisa e compreensão de vias metabólicas exclusivas do parasita. Nosso grupo vem investigando e caracterizando produtos da biossíntese de isoprenóides em P. falciparum. Resultados preliminares identificaram a biossíntese das duas formas da vitamina K: filoquinona (PhQ) e menaquinona (MQ), ambas provenientes das vias do chiquimato e da via 2-C-metil-D-eritritol-4-fosfato (MEP). Salienta-se, ainda, que as vias do chiquimato e MEP são exclusivas do parasita, portanto alvos interessantes para o estudo e desenvolvimento de drogas alternativas contra a malária. Ensaios enzimáticos demonstraram a participação da MQ-4 na cadeia respiratória como transportadora de elétrons. Resultados indicaram que o parasita controla a concentração de ubiquinona e menaquinona (UQ/MQ) de acordo com as condições de aeração a qual é submetido, assim como descrito em E. coli e Ascaris suum. A biossíntese de MQ em P. falciparum é bloqueada pelo composto Ro 48-8071, inibidor da enzima 1,4-dihidroxi-2-naftoato preniltransferase da via de biossíntese de MQ. Em relação a PhQ, dados preliminares mostram uma provável participação na proteção antioxidante no ciclo intraeritrocítico de P. falciparum. Finalmente, por meio de ensaios de Real Time-PCR, investigou-se o padrão de transcrição de prováveis genes que supostamente codificariam algumas enzimas da via de biossíntese de MQ, PhQ, e UQ (esse último previamente caracterizado). Os resultados demonstraram que não há alterações na transcrição desses genes prováveis nos parasitas mantidos em diferentes condições de pressão de O2. / The lack of an effective vaccine and the problem of drug resistance haves hampered the control of malaria. The search for new biological targets for the development of effective antimalarials in part has focused on research and understanding of metabolic pathways unique to the parasite. Our group has investigated and characterized the products of the isoprenoids biosynthesis in P. falciparum. Preliminary results have identified the biosynthesis of two forms of vitamin K: phylloquinone (PhQ) and menaquinone (MQ), both derived from the Shikimate pathway and 2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate pathway (MEP). The shikimate and MEP pathways are unique to the parasite therefore are interesting targets for study and development of alternative drugs against the malaria. The enzimatic assay showed the participation of MQ-4 in the respiratory chain as electron carrier. Results indicated that the parasite controls the concentration of ubiquinone and menaquinone (UQ / MQ) according to the aeration conditions which is submitted, as described in E. coli and Ascaris suum. The MQ biosynthesis in P. falciparum is blocked by the compound Ro 48-8071, an inhibitor of the enzyme 1,4-dihydroxy-2-naftoato prenyltransferase. Also was described in the parasite, the biosynthesis of another form of vitamin K (PhQ) , and preliminary results showed probably participation of PhQ in the antioxidant protection in the cycle of P. falciparum. Finally, by the Real Time-PCR, we investigated the pattern of transcription of putative genes some enzymes of MQ, PhQ and UQ biosynthesis (the last was previously characterized). The results showed no changes in the transcription profile in the parasites kept in different conditions of O2 pressure.

O estudo da biossíntese de isoprenóides em P. falciparum por meio da via 2C-metil-D-eritritol-4-fosfato (MEP) é apontado como possível alvo terapêutico, visto a via ser ausente em humanos. Foi descrito que nos estágios intraeritrocitários de P. falciparum a via essencial de biossíntese de isoprenóides é a via MEP. As vias do Chiquimato e MEP são precursoras da biossíntese de vitamina E e ambas já foram descritas em P. falciparum. É sugerido que a biossíntese de vitamina E possa ocorrer no parasita, representando um possível alvo para o desenvolvimento de novas drogas antimaláricas. Empregando marcações metabólicas com precursores radioativos, três diferentes métodos de RP-HPLC e análises por espectrometria de massas confirmamos a biossíntese de vitamina E nos três estágios intraeritrocíticos do parasita. O tratamento com ácido úsnico, mostrou inibição dessa biossíntese no estágio esquizonte e do crescimento do parasita. Demonstramos por meio de uma sonda fluorescente, ácido Parinárico, que a vitamina E atua como antioxidante lipofílico, protegendo a lipoperoxidação. Esses resultados não só contribuem para a compreensão da biologia de P. falciparum, mas também elucidam partes das vias MEP e do Chiquimato que podem servir como alvos terapêuticos. / The study of isoprenoid biosynthesis in Plasmodium falciparum by 2C-methyl-D-erythritol-4-phosphate pathway (MEP) it is presented as a therapeutic target once that it is absent in humans. It was found in intraerythrocytic stages of P. falciparum the biosynthesis of isoprenoids by the MEP pathway. The shikimate and MEP pathways are the precursors of biosynthesis of vitamin E and both pathways have already been described in P. falciparum. It is suggested that the biosynthesis of vitamin E might occur in the parasite, representing a possible target for developing new antimalarial drugs. Using metabolic labelling with radiolabelled precursors, three different methods of RP-HPLC and mass spectrometry analyses confirmed the biosynthesis of vitamin E in the three intraerythrocytic stages of parasite. The treatment with usnic acid showed an inhibition of this biosynthesis and of the growth of parasite. We demonstrated by means of a fluorescent probe, the acid Parinaric, that vitamin E acts as a lipophilic antioxidant protecting the membrane of lipoperoxidation. These findings not only contribute to the current understanding of P. falciparum biology but shed light on a pathway that could serve as a chemotherapeutic target.

Este trabalho teve como objetivo caracterizar e padronizar métodos para a tipagem molecular de marcadores genéticos, para futuro uso em estudos de genética populacional de Plasmodium vivax na Amazônia brasileira. As amostras sanguíneas utilizadas neste estudo foram colhidas no Brasil, Camboja, Sri Lanka e Estados Unidos. Foram selecionados polimorfismos de única base (SNPs) distribuídos ao longo de cromossomos distintos de P. vivax; para estes polimorfismos, sete ensaios de tipagem de SNPs foram padronizados com sucesso. Com a tipagem molecular, foi possível definir haplótipos que caracterizam cada amostra, assim como identificar infecções geneticamente mistas (co-ocorrência de clones distintos na mesma amostra). No entanto, com este conjunto de marcadores não foi possível agrupar amostras de acordo com sua localização geográfica, por estes marcadores não serem suficientemente informativos do ponto de vista genético. Os sete SNPs avaliados, quando comparados a 13 marcadores de DNA microssatélite, revelaram menor proporção de infecções geneticamente mistas e menor diversidade genética. / This study aimed to characterize and standardize methods for molecular typing of genetic markers to be used in the future in studies of population genetics of Plasmodium vivax population in the Brazilian Amazon. Blood samples used in this study were collected in Brazil, Cambodia, Sri Lanka and United States. Single nucleotide polymorphisms (SNPs), distributed over different P. vivax chromosomes were chosen and seven typing assays were sucessfully standardized. Molecular typing of polymorphisms allowed to define haplotypes that characterize each sample, as well as to identify genetically mixed infections (co-occurrence of different clones in the same sample). However, with this markers set, it was not possible to group samples according to their geographical location, because probably they are not sufficiently genetically informative. Compared to 13 microsatellite markers, these seven SNPs revealed a lower proportion of mixed-clone infections and lower genetic diversity.

O interesse em compreender a epidemiologia da malária no Brasil, fornecendo subsídios para seu controle, decorre principalmente de sua elevada morbidade em populações expostas continuamente ao risco de infecção. Entre março de 2010 e abril de 2011, foram realizados quatro cortes transversais em um assentamento agrícola localizado no estado do Amazonas, com o recrutamento de 395 indivíduos de idades entre dois meses e 66 anos. Considerando os resultados moleculares obtidos por PCR em tempo real em 731 amostras sanguíneas, obteve-se uma taxa de positividade de 17,8%, aproximadamente três vezes maior do que a detectada pelo exame microscópico, com a detecção de infecções mistas apenas pela técnica molecular. Cerca de dois terços das infecções diagnosticadas eram assintomáticas. Os resultados enfatizam a importância de infecções assintomáticas infecções, muitas vezes submicroscópicas, na manutenção da transmissão de plasmódios e caracterizam o papel de aspectos comportamentais ligados à idade e à exposição cumulativa à malária. / Understanding the epidemiology of malaria in Brazil, to support malarias control, has attracted interest mainly due to its high morbidity in populations continuously exposed to the risk of infection. Between March 2010 and April 2011, four cross-sectional were performed in a farming settlement located in the state of Amazonas, with the recruitment of 395 patients aged between two months and 66 years. Considering the molecular results obtained by real time PCR in 731 blood samples, we obtained a positivity rate of 17.8%, nearly three times greater than that detected by microscopic examination, with the detection of mixed infections only by molecular technique. About two-thirds of diagnosed infections were asymptomatic. The results emphasize the importance of asymptomatic infections, often submicroscopic, to the maintenance of the transmission of parasites and characterize the role of behavioral issues related to the age and cumulative exposure to malaria.

As células dendríticas (DCs) expressam receptores que reconhecem padrões moleculares associados a patógenos (PAMPs), sendo capazes de capturar, processar e apresentar antígenos para os linfócitos. O contato com PAMPs induz a maturação das DCs e, consequentemente, a ativação dos linfócitos. Nossa estratégia para desenvolver vacinas é empregar anticorpos monoclonais contra os receptores endocíticos DEC205 e DCIR2, presentes nas subpopulações de DCs, em fusão com o antígeno de interesse. E estimular a maturação delas utilizando os adjuvantes poly I:C, CpG ODN 1826 e flagelina de S. Typhimurium . Imunizamos camundongos selvagens ou knockouts para os receptores TLR 3, 5 e 9 com adjuvantes e anticorpos quiméricos anti-DEC205, anti-DCIR2 ou isotipo controle (Iso) fundidos a proteína MSP119 de Plasmodium vivax. Avaliamos as repostas humoral e celular no grupos imunizados. Os resultados indicam que, seja qual for o adjuvante usado, a maioria dos parâmetros analisados aponta para a superioridade do direcionamento do antígeno para o receptor DEC205. / Dendritic cells (DCs) express receptors that recognize pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), and are able to capture, process and present antigens to lymphocytes. In recent years, a immunization strategy that directs antigens to DCs in vivo has been developing. This consists in the use of monoclonal antibodies fused with the antigen of interest. However, effective immune activation occurs mainly when the chimeric antibodies anti-DEC or anti-DCIR2 are administered in the presence of a DC maturation stimulus. We immunized wild type and knockout mice for TLR3, 5 and 9 with adjuvants (poly I:C, CpG ODN 1826 and flagellin from S. typhimurium) and chimeric anti-DEC205, anti-DCIR2 or isotype control fused to the Plasmodium vivax MSP119 protein. After the administration of two doses, we evaluated the humoral and cellular immune responses in the different groups. Our results indicate that, irrespectively of the adjuvant, the majority of parameters analyzed points out to the superiority of antigen targeting to the DEC205 receptor.

Entre cepas diferentes de P. falciparum existe uma grande variação entre as sequências das famílias de genes variantes. Um motivo para esta grande variedade é o fato que a maioria dos genes variantes se encontra em regiões subteloméricas e que o parasita é capaz de recombinar telômeros heterólogos durante a meiose (recombinação ectópica), levando a uma nova distribuição e a criação de novos genes variantes. Além desse fenômeno que ocorre durante a fase sexual do parasita, foi considerado que recombinações também podem ocorrer durante a fase mitótica na fase assexuada sanguínea. Neste estudo, procuramos monitorar a importância desta recombinação ectópica na geração de novos genes var em amostras de campo da Amazônia brasileira. Em experimentos paralelos elucidamos se existe recombinação ectópica também durante divisões puramente mitóticas. Observamos que muitos genes var que são compartilhados entre isolados mudam raramente ou não mudam de posição cromossômica. Observamos que no caso de mudança de posição cromossômica muitas vezes ocorreu duplicação do lócus. Muitos dos genes var compartilhados se encontraram em cromossomos 5-6 e 9-7. Por monitoramento de clones de 3D7 após 180 gerações não observamos nenhuma translocação de genes var subtelomérico ou telomérico indicando que a recombinação ectópica em mitoses é de fato um evento raro. / Different strains of the causative agent of malaria, Plasmodium falciparum, possess greatly varying repertoires of variant antigen encoding gene families. One reason for this variety lies in the fact that most of the variant gene families are found in subtelomeric regions. The parasite is able to recombine heterologous telomers during meiosis through a process coined ectopic recombination, potentially leading to a new distribution and creation of variant genes. Due to morphological similarities of chromosome end clustering in sexual as well as in asexual forms, it was hypothesized that ectopic recombination may also occur in mitotic asexual blood stage parasites. Herein we monitor the occurrence of ectopic recombination in field samples from the Brazilian Amazon. In parallel, we elucidated whether ectopic recombination also takes place in purely mitotic divisions. We observed that many var genes which are shared among isolates rarely change their chromosomal position. When a change occurred, we often observed chromosomal locus duplication and many of the shared genes were found on chromosomes 5-9 or 5-10. After outgrowth of the 3D7 strain for 200 generations with intermittent cloning we did not observe any translocation of telomeric or subtelomeric var genes, indicating that ectopic recombination in mitosis is a rare event.

Plasmodium falciparum e Toxoplasma gondii são protozoários parasitas pertencentes ao filo Apicomplexa. Apirases são enzimas metabolizadoras de nucleotídeos extracelulares. Nesta tese mostramos pela primeira vez a presença de um membro desta família de enzimas em P. falciparum, o qual foi capaz de degradar ATP extracelular. Análises por RT-qPCR revelaram a expressão da apirase durante todo o ciclo intraeritrocítico. A adição de inibidores desta classe de enzimas foi capaz de prejudicar o desenvolvimento dos parasitas e a invasão de novas hemácias pelos merozoitos, sugerindo assim um papel da apirase nestes processos. A via de sinalização por Ca2+ é universal e vital para todas as células. Para melhor entender a fisiologia celular de P. falciparum construímos uma nova linhagem de parasitas transgênicos, PfGCaMP3, que nos tornam capazes de monitorar a dinâmica de Ca2+ sem o uso de protocolos invasivos de marcação. De modo semelhante utilizamos uma nova linhagem de T. gondii expressando de forma estável o indicador de Ca2+ GCaMP3 para estudar o papel deste íon na saída da célula. T. gondii possui o Ca2+ necessário para promover este processo, entretanto Ca2+ extracelular age como um fator intensificador neste passo essencial do ciclo lítico. / Plasmodium falciparum and Toxoplasma gondii are protozoan parasites that belong to phylum Apicomplexa. Apirases are metabolizing enzymes of extracellular nucleotides. In this work we show for the first time the presence of an apyrase in P. falciparum, which was able to degrade extracellular ATP. RTqPCR analysis revealed the expression of apyrase throughout the intraerythrocytic cycle. Addition of apyrase inhibitors was able to impair the development of the parasites and the invasion of new erythrocytes by merozoites, thus suggesting a role of apyrase in these processes. Calcium signaling is universal and vital to all cells. To better understand the cellular physiology of P. falciparum we construct a new strain of transgenic parasites, PfGCaMP3, which enable us to monitor the Ca2+ dynamics without using invasive protocols. Similarly we use a new strain of T. gondii that stably express the Ca2+ indicator GCaMP3 to study the role Ca2+ in parasite egress. T. gondii has the Ca2+ required to promote this process, however extracellular Ca2+ acts as an enhancer factor in this crucial step of the lytic cycle.

Nesta dissertação, foi caracterizada a via de biossíntese de tiamina (Vitamina B1) nas três formas intraeritrocitárias de P. falciparum. Foram realizadas marcações metabólicas, utilizando diferentes precursores radioativos envolvidos na biossíntese de tiamina, já descritos para outros organismos. A utilização do precursor [1-14C] acetato de sódio demonstrou que a via de biossíntese de tiamina encontra-se ativa em todos os estágios intraeritrocitários de P. falciparum. Investigamos os precursores que poderiam estar envolvidos na biossíntese do intermediário tiazol, e nossos dados sugerem que a cistéina é a doadora do enxofre presente na molécula de tiamina; que o aminoácido tirosina pode ser o precursor da biossíntese de tiamina, e nicotinamida não é utilizada como precursor em P. falciparum. Também se avaliou o efeito da fosmidomicina e 3ClDHP e foi demonstrado que ambos propiciaram uma inibição no crescimento dos parasitas. Estes dados sugerem que a via de biossíntese de tiamina, pode ser explorada como alvo para drogas antimaláricas, devido ausência em humanos. / In the present work we have demonstrated the biosynthesis of thiamin (vitamin B1) in the intraerytrocytic stages of P. falciparum. We have demonstrated active biosynthesis of thiamine in the three parasite stages metabolically labeled with [1-14C] sodium acetate. We also investigated which precursors could be involved in the biosynthesis of the thiazole intermediate, by metabolic labelling with different precursors. Our data suggest that the sulphur present in the thiamine molecule is formed from cysteine white that tyrosine can be the precursor of thiamine biosynthesis. Nicotinamide is not utilized as a precursor in P.falciparum. We also investigated the effect of fosmidomycin (an inhibitor of the DOXP reductoisomerase in the MEP pathway) and 3CIDHP (an analogue of bacimethrin) in vitro cultures and both showed an inhibitory effect on parasite growth. These data suggest that the biosynthesis of thiamine can be an attractive target for the development of antimalarial drugs since this pathway is absent in humans.