The aims of the research presented in this thesis were concerned with investigating the effect of inducible nitric oxide (NO) synthase expression during Trypanosoma brucei infections on both host and parasite. NO was shown to exhibit a potent cytostatic effect on parasite proliferation. Oxyhaemoglobin is a potent scavenger of NO. The cytostatic effects of NO on the trypanosomes were completely prevented through the addition of erythrocytes to the cultures. This implies that in the host blood-stream, NO is unlikely to be involved in the eradication of the parasites. Through the adoptive transfer of suppressor macrophages from T.brucei-infected donor mice to naive recipients, it was demonstrated that NO mediates a suppressive effect on host lymphocyte responses in vivo. Furthermore, suppressor macrophages were shown to have a finite life-span and undergo NO-mediated apoptosis. Evidence also suggested that elevated NO production in the bone marrow of T.brucei -infected mice is likely to play a significant role in the anaemia resulting from T.brucei infection. Experiments demonstrated that a soluble lysate prepared from freeze-thawed blood-stream form T.brucei, activated interferon (IFN)-gamma primed macrophages to express high levels of NO synthase. Experiments also demonstrated that viable blood-stream forms, but not procyclic form trypanosomes, released a soluble factor which in combination with IFN-gamma induced NO synthase. The absolute requirement of IFN-gamma priming for NO synthase activation by T.brucei was studied using macrophages from mutant mice lacking functional IFN-gamma receptors (IFN-gamma R -/- mutant mice). In comparison to macrophages from wild-type mice, cells from IFN-gamma-R-/- mutant mice were unable to produce NO following stimulation in vitro or infection in vivo. Finally, utilising mice with specific immunodeficiencies it was demonstrated that natural killer cells and a/b T-lymphocytes were important sources of IFN-gamma during murine T.brucei infections.

The biosynthesis of GDP-Fucose, the activated donor for fucose, has been recently shown to be essential in the parasite Trypanosoma brucei. Fucose is a common sugar modification on eukaryotic glycan structures, but it has not been well described in trypanosomatids. To elucidate the role of fucose in T. brucei we searched for putative fucosyltransferases in this parasite. A single putative T. brucei fucosyltransferase (TbFT) was identified and recombinantly expressed in Escherichia coli. The protein was active and structural characterization of its reaction product identified it as a GDP-Fuc: ß-D-galactose a-1,2-fucosyltransferase with preference for Galß1,3GlcNAc containing structures as glycan acceptors. A procyclic form conditional null mutant for TbFT was generated and this glycosyltransferase shown to be essential for parasite growth in vitro, with the mutant cells displaying a slightly abnormal morphology and an apparent reduction in the surface high molecular weight glycoconjugate complex. Here we also describe the various experimental approaches that were used to try to identify the fucosylated glycocojugates in T. brucei. Lastly, to better understand the biosynthesis of GDP-Mannose, the starting metabolite for the biosynthesis of GDP-Fuc, we biochemically characterized T. brucei phosphomannomutase (TbPMM). Here we show this enzyme could interconvert not only mannose-phosphates, but also glucose-phosphates.

Die ausschließliche Expression von nur einem Gen aus einer großen Genfamilie ist ein weit verbreitetes Phänomen, das als monoallele Expression bezeichnet wird. In dem Blutparasiten Trypanosoma brucei stellt die Expression eines einzigen variablen Oberflächenglykoproteins (VSG) aus einem Repertoire von über 1000 verschiedenen Genen die Grundlage für die Immunevasion dar. Durch einen periodischen Wechsel der VSG Expression (Antigene Variation) bleibt der Parasit vom Immunsystem des Wirtes unerkannt. Die VSG Gene werden aus telomerischen Blutstromform Expressionsstellen (BES) transkribiert, von denen nur eine zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv ist. Die Kontrolle der monoallelen VSG Expression ist somit einer der wichtigsten Virulenzfaktoren von T. brucei. Ziel dieser Arbeit war es, die Vorgänge eines transkriptionellen Wechsels zwischen zwei BESs zu beschreiben. Das Ausschalten des aktiven VSGs durch RNA-Interferenz hatte zuvor gezeigt, dass dies nicht zu einer erhöhten Wechselrate führt. Es wurde daher untersucht, welche Auswirkungen das Anschalten einer zweiten BES auf die monoallele Expression hat. Da es bisher keine Möglichkeit gibt, eine inaktive BES gezielt zu aktivieren, wurde ein artifizielles System gewählt, das die gezielte induzierbare Expression eines Gens ermöglicht. Die BESs unterscheiden sich in der Anzahl und Zusammensetzung der Expressionsstellen-assoziierte-Gene (ESAGs), jedoch besitzt jede BES ein telomernahes VSG. Somit wird, bei einer BES Aktivierung, in jedem Fall ein neues VSG exprimiert. Durch die induzierbare Expression eines zweiten VSGs wurde so das Anschalten einer neuen BES simuliert. Mithilfe dieses Systems konnte gezeigt werden, dass das VSG selbst für die Kontrolle der monoallelen Expression verantwortlich ist. Die ektopische Überexpression eines zweiten VSGs führte zu einer graduellen Inaktivierung der BES. Infolge dessen verlangsamte sich der Zellzyklus und die Zellen verblieben bis zu fünf Tage in einem ruhenden Zustand. Genauere Analysen dieses Zustandes zeigten, dass es sich hierbei um ein bisher unbekanntes, reversibles Zwischenstadium zwischen proliferierenden sogenannten Long Slender und arretierten sogenannten Short Stumpy Formen handelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit führten zu einem neuen Modell, das die Kontrolle der monoallelen VSG Expression mit der Entwicklung der Trypanosomen mechanistisch verbindet. / The exclusive expression of only one gene from a gene family is a common phenomenon, known as monoallelic expression. The blood parasite Trypanosoma brucei evades the host immune system by expressing only one variant surface glycoprotein (VSG) from a repertoire of hundreds of different VSG genes. By periodically switching VSG expression (antigenic variation) the parasites evade the host antibody response. The VSG genes are transcribed from specialized telomeric bloodstream form expression sites (BESs), of which only one is active at any given time. Thus, monoallelic VSG expression is one of T. brucei's most important virulence factors. The aim of this work was to describe the processes occuring while transcription switches from one BES to another. The depletion of the active VSG by RNA interference (RNAi) was shown previously to have no effect on switching frequency. It was therefore investigated here, which influence the activation of a new BES would have on monoallelic expression. So far, it has not been possible to specifically activate a silent BES. Therefore, an artificial system was chosen which allows for inducible expression of a particular gene. The BESs differ in number and composition of expression site associated genes (ESAGs), but all contain a telomeric VSG gene. Thus, activation of a new BES will inevitably lead to expression of a second VSG. To simulate - in the most straightforward manner - the activation of a new BES, a second VSG was inducibly expressed. Using this system, it was shown that the VSG itself controls its own monoallelic expression. The ectopic overexpression of a second VSG led to a gradual inactivation of the BES. This, in turn, led to a prolonged cell division cycle and the cells remained in a dormant stage for up to 5 days. Further analyzes of this stage revealed a new, reversible intermediate stage between proliferating long slender and arrested short stumpy forms. The results of this work led to a new model that mechanistically links the control of monoallelic VSG expression and development in trypanosomes.

No description available.

Undergraduate honors paper--Mount Holyoke College, 2008. Dept of Biological Sciences. / Includes bibliographical references (leaves 64-69).

Undergraduate honors paper--Mount Holyoke College, 2008. Dept of Biological Sciences. / Includes bibliographical references (leaves 57-59).

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1997. / Vita. Includes bibliographical references (leaves [152]-161).

Undergraduate honors paper--Mount Holyoke College, 2007. Program in Biochemistry. / Includes bibliographical references (leaves 54-58).

This study aims to functionally characterize two enzymes, HGPRT and XPRT, of an essential purine salvage pathway in the infection stage of Trypanosoma brucei. Localization, in vivo function and in vitro activity of these enzymes were characterized. Effect of acyclic nucleoside phosphonates, putative inhibitors of HGXPRT, on the viability of bloodstream form of T. brucei was evaluated.

The variant surface glycoprotein (VSG) of African trypanosomes plays an essential role in protecting the parasites from host immune factors. These trypanosomes undergo antigenic variation resulting in the expression of a single VSG isoform out of a repertoire of around 2000 genes. The molecular mechanism central to the expression and regulation of the VSG is however not fully understood. Gene expression in trypanosomes is unusual due to the absence of typical RNA polymerase II promoters and the polycistronic transcription of genes. The regulation of gene expression is therefore mainly post-transcriptional. Regulatory sequences, mostly present in the 3´ UTRs, often serve as key elements in the modulation of the levels of individual mRNAs. In T. brucei VSG genes, a 100 % conserved 16mer motif within the 3´ UTR has been shown to modulate the stability of VSG transcripts and hence their expression. As a stability-associated sequence element, the absence of nucleotide substitutions in the motif is however unusual. It was therefore hypothesised that the motif is involved in other essential roles/processes besides stability of the VSG transcripts. In this study, it was demonstrated that the 100 % conservation of the 16mer motif is not essential for cell viability or for the maintenance of functional VSG protein levels. It was further shown that the intact motif in the active VSG 3´ UTR is neither required to promote VSG silencing during switching nor is it needed during differentiation from bloodstream forms to procyclic forms. Crosstalk between the VSG and procyclin genes during differentiation to the insect vector stage is also unaffected in cells with a mutated 16mer motif. Ectopic overexpression of a second VSG however requires the intact motif to trigger silencing and exchange of the active VSG, suggesting a role for the motif in transcriptional VSG switching. The 16mer motif therefore plays a dual role in VSG in situ switching and stability of VSG transcripts. The additional role of the 16mer in the essential process of antigenic variation appears to be the driving force for the 100 % conservation of this RNA motif. A screen aimed at identifying candidate RNA-binding proteins interacting with the 16mer motif, led to the identification of a DExD/H box protein, Hel66. Although the protein did not appear to have a direct link to the 16mer regulation of VSG expression, the DExD/H family of proteins are important players in the process of ribosome biogenesis. This process is relatively understudied in trypanosomes and so this candidate was singled out for detailed characterisation, given that the 16mer story had reached a natural end point. Ribosome biogenesis is a major cellular process in eukaryotes involving ribosomal RNA, ribosomal proteins and several non-ribosomal trans-acting protein factors. The DExD/H box proteins are the most important trans-acting protein factors involved in the biosynthesis of ribosomes. Several DExD/H box proteins have been directly implicated in this process in yeast. In trypanosomes, very few of this family of proteins have been characterised and therefore little is known about the specific roles they play in RNA metabolism. Here, it was shown that Hel66 is involved in rRNA processing during ribosome biogenesis. Hel66 localises to the nucleolus and depleting the protein led to a severe growth defect. Loss of the protein also resulted in a reduced rate of global translation and accumulation of rRNA processing intermediates of both the small and large ribosomal subunits. Hel66 is therefore an essential nucleolar DExD/H protein involved in rRNA processing during ribosome biogenesis. As very few protein factors involved in the processing of rRNAs have been described in trypanosomes, this finding represents an important platform for future investigation of this topic. / Das variable Oberflächen-Glykoprotein (“varaint surface glycoprotein“, VSG) der Afrikanischen Trypanosomen schützt den Parasiten vor Immunfaktoren des Wirtes. Trypanosomen beherrschen die antigene Variation und expremieren nur eine einzige VSG Isoform aus einem Repertoire von ungefähr 2000 Genen. Der molekulare Mechanismus der die Expression dieser VSG Gene reguliert ist nicht komplett bekannt. Die Genexpression ist in Trypanosomen sehr ungewöhnlich. Es gibt keine typischen Promotoren für RNA Polymerase II und Gene werden polycistronisch transkribiert. Daher ist die Regulation der Genexpression hauptsächlich posttranskriptional. Die Expression individueller mRNAs wird durch regulatorische Sequenzen reguliert, die sich häufig in den 3´ UTRs befinden. In den VSG Genen von T. brucei moduliert ein zu 100% konserviertes 16mer Motiv in der 3´ UTR die Stabilität der VSG Transkripte und damit deren Expression. Für eine Sequenz, die die Stabilität der mRNA reguliert, ist das Fehlen von Nukleotid Substitutionen sehr ungewöhnlich. Es wurde deshalb spekuliert, dass das 16mer Motiv neben der Stabilisierung des VSG Transkriptes noch an anderen essentiellen Prozessen beteiligt ist. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die 100%ige Konservierung des 16mer Motives weder für das Überleben der Zellen, noch für den Erhalt der Expression des VSG Protein in funktioneller Menge notwendig ist. Außerdem wurde gezeigt dass das intakte Motiv in der 3´UTR des aktiven VSGs weder für das „VSG silencing“ während des VSG Austausches („switching“) noch für die Differenzierung von Blutbahnformen zu prozyklischen Formen benötigt wird. Auch die Interaktionen („crosstalk“), die während der Differenzierung zum Insekten Stadium zwischen den VSG und Prozyklin Genen stattfinden, sind in Zellen mit mutiertem 16mer Motiv noch funktionell. Die ektopische Überexpression eines zweiten VSGs benötigt allerdings das intakte Motiv, um das aktive VSG zu inaktivieren und auszutauschen: dies suggeriert eine Rolle des Motivs im transkriptionalen „VSG switching“. Das 16mer Motif spielt daher eine Doppelrolle bei der Regulation der Stabilität der VSG Transkripte und im VSG in situ „switching“. Letzteres, die Rolle im essentiellen Prozess der antigenen Variation, ist dabei offensichtlich die treibende Kraft hinter der 100%igen Konservierung des RNA Motives. Eine Suche nach möglichen RNA bindenden Proteinen, die mit dem 16mer interagieren, führte zur Identifikation des DExD/H box Proteins Hel66. Obwohl das Protein wohl nicht direkt an der Regulation der VSG Expression über das 16mer beteiligt ist, spielen Mitglieder der DexD/H Proteinfamilie eine wichtige Rolle in der Biogenese von Ribosomen. Dieser Prozess ist in Trypanosomen noch nicht komplett verstanden und daher wurde das Protein für eine nähere Analyse ausgewählt, auch weil die 16mer Story ohne weitere Kandidaten zu einem Ende gekommen war. Die Biogenese von Ribosomen ist ein wichtiger zellulärer Prozess in Eukaryoten und benötigt ribosomale RNA, ribosomale Proteine sowie einige nicht-ribosomale, trans-agierende Protein Faktoren. Proteine der DExD/H box Familie sind die wichtigsten trans- agierenden Proteinfaktoren, die an der Biogenese der Ribosomen beteiligt sind. In der Hefe sind mehrere DExD/H box Proteine bekannt, die eine direkte Rolle in diesem Prozess spielen. In Trypanosomen sind erst sehr wenige Proteine aus dieser Familie untersucht worden und es ist daher kaum bekannt, welche spezifische Rollen sie im RNA Metabolismus spielen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Hel66 an der rRNA Prozessierung während der Biogenese der Ribosomen beteiligt ist. Hel66 ist im Nukleolus lokalisiert und die Reduktion des Proteins durch RNAi führte zu einem schweren Wachstumsphänotyp. Reduktion von Hel66 führte auch zu einer globalen Reduktion der Translation sowie zur Akkumulation von Synthese- Zwischenstadien der rRNAs sowohl der kleinen und als auch der großen ribosomalen Untereinheit. Hel66 ist daher ein essentielles nukleoläres DExD/H Protein dass an der Prozessierung der rRNA während der Biogenese der Ribosomen beteiligt ist. Da bisher erst wenige Proteine bekannt sind, die in Trypanosomen an diesem Prozess beteiligt sind, sind diese Ergebnisse ein sehr wichtiger Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen in der Zukunft.