The transmission of Trypanosoma brucei, the causative agent of human African trypanosomiasis, depends upon the development in the bloodstream of 'stumpy forms' from non-transmissible 'slender forms'. In stumpy forms many mRNAs are downregulated and translation is generally repressed. However, a small subset of genes escape this repression and are upregulated, presumably as an adaptation for transmission. To understand the basic of this, regulatory sequences within the 3'UTR of a major stumpy-enriched transcript (an ESAG9 gene) have been characterised. This identified a signal responsible for gene silencing in slender forms and gene activation when cells develop to stumpy forms. An investigation was made of upstream open reading frames (uORFs) as a mechanism for the control of stumpy form gene expression. No evidence was found of uORF control, but one gene investigated was found to produce two transcripts through trans-splicing at different sites. These transcripts, which were found to exhibit some differential abundance between life-cycle stages, would generate a long and short form (from an internal ATG) of the encoded protein. Both are predicted to contain a UBA/TS-N (ubiquitin associated) domain, however, the longer form of the protein is also predicted to contain a transmembrane helix and cleavable signal peptide, suggesting a different localisation. However, ectopic expression of either protein form with a Ty epitope tag resulted in the same protein localisation. Additionally, the transcripts of two translational protein homologues, TbeIF4E4 and TbeIF6, were identified as upregulated in stumpy forms. Radiolabelled-methionine experiments and polysome analysis showed that overexpression or RNAi-mediated ablation of TbeIF6 resulted in a decrease in protein synthesis and decrease in translation. Unlike its archaeal homologue, TbeIF6 protein was not induced by coldshock treatment. Finally, to identify which transcripts escape translational repression in stumpy forms an analysis was made of polysome-associated transcripts by RNA-sequencing. This identified potentially interesting genes for further investigation, and showed that many procyclic-enriched transcripts were also enriched in stumpy form polysomeassociated RNA, confirming these cells as preadapted for transmission. Together, this work has characterised a 3’UTR regulatory element in a stumpy-enriched transcript, examined alternative trans-splicing of another transcript, investigated two translational protein homologues and identified transcripts that escape translational repression in the transmissible life-cycle stage of T. brucei.

Le trypanosome est le parasite responsable de la maladie du sommeil chez l’homme et de la Nagana chez le bétail. Afin d’échapper au système immunitaire de son hôte mammifère, il remplace périodiquement la protéine VSG (Variant Surface Glycoprotein) présente en 10 millions d’exemplaires à sa surface. Ce mécanisme a pour nom la variation antigénique. Pour être exprimé, le gène de VSG (VSG) doit se trouver en fin d’un site d’expression (ES) particulier. Cet ES est polycistronique, télomérique et transcrit par une ARN polymérase de type ribosomique (Pol I). 20 à 40 ESs similaires et un millier de VSGs sont recensés dans le génome du trypanosome. Cependant, un seul ES est totalement transcrit (actif) et un seul VSG est exprimé. La variation antigénique est donc possible par deux mécanismes: soit l’activation d’un autre ES, soit le remplacement du VSG dans l’ES actif. La base de ce système est l’activation d’un seul ES à la fois (contrôle monoallélique). Au laboratoire, un modèle a été proposé où la transcription s’initie au niveau de tous les ESs mais n’aboutit au VSG que dans le cas de l’ES actif (Vanhamme et al., 2000). Dans ce cas uniquement, le transcrit primaire subit une maturation correcte (épissage et polyadénylation) et est exporté dans le cytoplasme. Etant donné que des transcrits Pol I subissent une maturation identique à des transcrits Pol II, la régulation s’effectuerait par recrutement d’une machinerie d’élongation/maturation de l’ARN de type Pol II (Pol II « RNA factory »). Cette dernière serait uniquement localisée au niveau de l’ES actif dans le compartiment nucléaire appelé ES body (Navarro and Gull, 2001). Durant cette thèse, diverses stratégies ont été élaborées pour tester la validité du modèle. La première visait à comparer l’état de maturation d’un ES en fonction de son activité. Nos résultats ont appuyé l’idée que les transcrits d’ESs ayant subi une maturation correcte provenaient préférentiellement de l’ES actif mais le(s) facteur(s) en quantité limitante ne permettant cette maturation qu’au niveau de l’ES actif doivent encore être identifiés. Le seconde stratégie analysait l’acétylation des histones ainsi qu’un éventuel attachement différentiel à la matrice nucléaire de l’ES suivant son activité. Le niveau d’acétylation d’un ES lorsqu’il est actif n’a pu être étudié. Des résultats préliminaires en faveur d’une association préférentielle de l’ES à la matrice nucléaire lorsqu’il est actif ont été obtenus. Enfin, nous avons cloné deux homologues d’un facteur général de la transcription appelé TFIIS. Ce dernier permet à la Pol de redémarrer lorsqu’elle est bloquée par un site de pause. Individuellement chacun de ces facteurs ne semble pas être essentiel au trypanosome. Cependant, un retard de croissance a été observé lorsque les deux facteurs sont invalidés dans la même lignée cellulaire. Ce phénotype particulier doit être caractérisé. En parallèle, nous avons envisagé de caractériser le complexe de la Pol I du trypanosome. Cette stratégie constituait la manière la plus simple de mettre en évidence un éventuel contact physique et/ou fonctionnel entre la Pol I transcrivant l’ES et la machinerie d’élongation/maturation de l’ARN de type Pol II « RNA factory ». 5 sous-unités du complexe ont été identifiées, associées à une protéine de fonction inconnue ainsi qu’à des histones. L’identification d’autres protéines associées au complexe constitue notre perspective principale. La phosphorylation de la plus grande sous-unité du complexe a été démontrée mais son rôle doit encore être élucidé.

Trypanosomen sind Protozoen, die Krankheiten bei Mensch und Tier verursachen, die unbehandelt infaust verlaufen. Die Zellen sind hoch motil, angetrieben von einem einzelständigen Flagellum, welches entlang des Zellkörpers angeheftet ist. Selbst in Zellkultur hören Trypanosomen niemals auf sich zu bewegen und eine Ablation funktioneller Bestandteile des Flagellarapparates ist letal für Blutstromformen. Es wurde gezeigt, dass Motilität notwendig ist für die Zellteilung, Organellenpositionierung und Infektiosität. Dies macht Trypanosomen zu besonders geeigneten Modellorganismen für die Untersuchung der Motilität. Dennoch ist erstaunlich wenig über die Motilität bei Trypanosomen bekannt. Dies gilt auch noch genereller für die Protozoen. Unlängst ist dieses Gebiet allerdings in den Fokus vieler Arbeiten gerückt, was bereits erstaunliche, neue Erkenntnisse hervorgebracht hat. Doch Vieles ist noch nicht abschliessend geklärt, so z.B. wie der Flagellarschlag genau reguliert wird, oder wie sich der Schlag des Flagellums entlang des Zellkörpers ausbreitet. Die vorliegende Arbeit befasst sich besonders mit den Einflüssen, die die Mikroumgebung auf die Motilität von Blutstromform-Trypanosomen ausübt. In ihrem natürlichen Lebensraum finden sich Trypanosomen in einer hoch komplexen Umgebung wieder. Dies gilt sowohl für den Blutkreislauf, als auch für den Gewebezwischenraum in ihrem Säugerwirt. Die hohe Konzentration von Zellen, Gewebeverbänden und extrazellulären Netzwerken könnte man als Ansammlung von Hindernissen für die Fortbewegung auffassen. Diese Arbeit zeigt dagegen, dass der Mechanismus der Bewegung eine Adaptation an genau diese Umweltbedingungen darstellt, so z.B. an die Viskosität von Blut. Es wird auch ein Bewegungsmodell vorgestellt, das erläutert, worin diese Adaption besteht. Dies erklärt auch, warum die Mehrheit der Zellen einer Trypanosomenkultur eine ungerichtete Taumel-Bewegung aufweist in nieder-viskosem Medium, das keine solchen “Hindernisse” enthält. Die Zugabe von Methylcellulose in einer Konzentration von ca. 0,5% (w/v) erwies sich als geeigneter Ersatz von Blut, um optimale Bedingungen für gerichtetes Schwimmen von Blutstromform Trypanosomen zu erreichen. Zusätzlich wurden in dieser Arbeit unterschiedliche Arten von Hindernissen, wie Mikroperlen (Beads) oder molekulare Netzwerke, sowie artifizielle, geordnete Mikrostrukturen verwendet, um die Interaktion mit einer festen Matrix zu untersuchen. In deren Anwesenheit war sowohl die Schwimmgeschwindigkeit, als auch der Anteil an persistent schwimmenden Trypanosomen erhöht. Zellen, die frei schwimmend in Flüssigkeiten vorkommen (wie Euglena oder Chlamydomonas), werden effizient durch einen planaren Schlag des Flagellums angetrieben. Trypanosomen hingegen mussten sich evolutionär an eine komplexe Umgebung anpassen, die mit einer zu raumgreifenden Welle interferieren würde. Der dreidimensionale Flagellarschlag des, an die Zelloberfläche angehefteten, Flagellums erlaubt den Trypanosomen eine effiziente Fortbewegung durch die Interaktion mit Objekten in jedweder Richtung gleichermassen. Trypanosomen erreichen dies durch eine hydrodynamisch verursachte Rotation ihres Zellkörpers entlang ihrer Längsachse, entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Einfluss der Mikroumgebung wurde in früheren Untersuchungen bisher vernachlässigt, ist zum Verständnis der Motilität von T. brucei jedoch unerlässlich. Ein weiterer, bisher nicht untersuchter Aspekt der Beeinflussung der Motilität durch die Umwelt sind hydrodynamische Strömungseffekte, denen Trypanosomen im kardiovaskulären System ausgesetzt sind. Diese wurden in dieser Arbeit mittels Mikrofluidik untersucht. Um unser Verständnis der Motilität von Trypanosomen von 2D, wie üblich in der Motilitätsanalyse mittels Lebend-Zell-Mikroskopie, auf drei Dimensionen auszudehnen, wurde als bildgebendes Verfahren auch die Holographie eingesetzt. Mikrofluidik und Holographie sind beides aufkommende Techniken mit großem Anwendungspotential in der Biologie, die zuvor noch nie für die Motilitätsanalyse von Trypanosomen eingesetzt worden waren. Dies erforderte daher interdisziplinäre Kooperationen. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit auch ein vollständig automatisiertes und Software-gesteuertes Fluoreszenzmikroskopiesystem entwickelt, das in der Lage ist, einzelne Zellen durch entsprechende Steuerung des Mikroskoptisches autonom zu verfolgen und somit eine Bewegungsanalyse in Echtzeit ermöglicht, ohne weitere Benutzerinteraktion. Letztendlich konnte dadurch auch die Bewegung der schlagenden Flagelle und des gesamten Zellkörpers mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung mittels Hochgeschwindigkeits-Fluoreszenzmikroskopie aufgeklärt werden. / Trypanosomes are protozoa causing fatal diseases in livestock and man. The cells show vivid motility, driven by a single flagellum that runs along the cell body, attached to the cell surface. Even in cell culture, trypanosomes never stop moving and ablation of functional components of the flagellum is lethal for bloodstream-forms. Motility has been shown to be essential for cell division, organelle positioning and infectivity. This renders trypanosomes valuable model organisms for studying motility. But, surprisingly little is known about motility in trypanosomes, as well as in protozoa, in general. Recently, motility of trypanosomes therefore has gotten into the spotlight of interest which brought some new insights, but many essential points are still a matter of debate, for example how the flagellar beat is regulated or how it is propagated along the cell body. In this work, the effects of the micro-environment of blood-stream form trypanosomes on motility were investigated. In their natural habitat, trypanosomes find themselves in a crowded environment. This is not only the case in the blood circulatory system, but also in extra-tissue space. The high concentration of cells and extra-cellular networks might be regarded as a kind of obstacle to cellular motion. This work shows that the mode of motility of bloodstream form trypanosomes instead is adapted to the viscosity of blood. Also a mechanistic model is presented which elucidates how this adaptation works. This also explains why most trypanosomes are tumbling in low-viscous cell culture medium, lacking other cellular components. Addition of Methylcellulose at a concentration of about 0.5% (w/v) was found to be a potent substitute for blood, providing optimal conditions for trypanosome motility. Also different types of obstacles like beads and molecular networks, as well as arranged pillar microstructures were used as a tool to mimic interaction with a solid matrix. In presence of these, the swimming speed as well as the percentage of persistent swimming cells was increased. Cells inhabiting an open-ranged environment (like Euglena or Chlamydomonas) are efficiently propelled by a planar flagellar wave. Trypanosomes in contrast, had to evolutionary adapt to a crowded environment, which would infer with any extensive planar wave. The three-dimensional flagellar beat of the attached flagellum allows trypanosomes to harness any rigid matrix for effective propulsion, in all directions equally. Trypanosomes achieve this by a rotational counter-clockwise motion of their whole cell body. Another environmental aspect for trypanosome motility that had not been studied before is the influence of hydrodynamic flow, which trypanosomes are subjected to, when swimming in the blood circulatory system. For studying this, in this work, the motilty of trypanosomes was analyzed in microfluidic devices. To extend our understanding of trypanosomal motility from 2D, like in standard microscopy based live-cell imaging analysis, to 3D, a imaging technique known as holography was used, in addition. Microfluidics as well as Holography both are emerging, high-potential techniques in biology, which had not been used for the motility analysis of trypanosomes before and establishing this therefore only got possible due to interdisciplinary collaborations. In addition, a custom fully automated, software-controlled, fluorescence microscopic system was developed in this work, which is able to track and follow single cells for motility analysis in real-time without the need for user input. The motion of the flagellar beat and the cell itself was investigated at high spatio-temporal resolution using highspeed fluorescence microscopy.

Genomes are constantly challenged by agents that promote DNA damage, with interstrand crosslinks (ICLs) representing a particularly dangerous lesion. Ongoing work in the Wilkinson laboratory aimed at identifying novel agents that target Trypanosoma brucei, the causative agent of African trypanosomiasis, identified several prodrugs that once activated form ICLs in this protozoan parasite. To understand the complexity of ICL repair systems that T. brucei employs to resolve such damage, a variety of null mutant lines were generated that lack activities postulated to fix such lesions. Phenotypic screens using various DNA damaging agents revealed that TbMRE11, TbEXO1, TbCSB, TbCHL1, TbFAN1, TbBRCA2 and TbRAD51 all help to resolve ICLs, implicating components of the homologous recombination, nucleotide excision repair and mismatch repair pathways in resolving this form of damage: This approach demonstrated that components of the translesion synthesis pathway (TbREV2 and TbREV3) do not play a significant role in ICL repair. In many organisms, nucleases belonging to the SNM1/PSO2 family play a key and specific role in the repair of ICLs with this property extending to the T. brucei homologue, TbSNM1. To assess whether there is a functional linkage between the DNA repair factors noted above and TbSNM1, a series of double null mutants were constructed and the susceptibility of these lines to ICL inducing agents determined. Identification of their epistatic/non-epistatic interactions revealed that T. brucei expresses at least two ICL repair systems with one pathway involving the concerted activities of TbSNM1/TbCSB/TbEXO1, that we postulate functions to repair ICLs encountered by the transcriptional machinery, while the other is centred upon TbMRE11/TbFAN1/TbEXO1 that may help resolve lesions which cause stalling of DNA replication forks. By unravelling how T. brucei repairs ICLs, specific inhibitors against key components of these pathways could be developed and used in combination with DNA damaging agents to target trypanosomal infections.

The parasitic protist Trypanosoma brucei is the causative agent of human African trypanosomiasis. The parasite undergoes a complex life cycle involving stages within the mammalian bloodstream and its tsetse fly vector. The fundamental differences between energy metabolism in the procyclic insect form (PCF) and long slender bloodstream form (BSF) T. brucei involve a switch in the directionality of the F1Fo- ATPase. In PCF, the need for oxidative phosphorylation in low glucose conditions requires the enzyme to generate ATP. In the slender BSF, the enzyme uses ATP from glycolysis to drive proton pumping to maintain the essential mitochondrial membrane potential. Fo-ATPase subunit 6 (A6) is critical for proton translocation in either direction and is encoded in the mitochondrial DNA (kDNA). The parasite’s kDNA is therefore essential in the slender BSF, and also in PCF where it encodes multiple subunits of the respiratory chain complexes that constitute the oxidative phosphorylation pathway. Specific point mutations in the nuclearly encoded γ subunit of the mitochondrial F1Fo-ATPase allow survival in the absence of kDNA in the slender BSF T. brucei (Dean et al., 2013). These mutations, even in the heterozygous genotype, cause an increase in resistance to multiple drugs in vitro (Gould and Schnaufer, 2014). This thesis investigates two questions: (1) What is the molecular mechanism of compensation for kDNA loss? (2) Are kDNA and a functional FoF1-ATPase required for life cycle progression? Slender BSF T. brucei were generated expressing ATPase L262Pγ. The effects of this γ mutation and kDNA loss, respectively, on structure/function of the F1Fo- ATPase were probed. Cells expressing L262Pγ show decreased sensitivity to Fo inhibitor oligomycin compared to WT cells, suggesting that the L262Pγ mutation functionally uncouples the enzyme. The impact of the L262Pγ mutation on the structure of the enzyme was probed by high resolution clear native electrophoresis. This shows there are dramatic consequences to F1Fo structure in the presence of the L262Pγ mutation. The apparent selection for cells that no longer express intact F1Fo suggests that L262Pγ uncouples the enzyme, resulting in a lethal proton leak. Pleomorphic T. brucei with and without kDNA were also generated by expressing mutant γ in strain AnTat1.1 90:13. Differentiation studies demonstrate kDNA0 cells can differentiate to insect-transmissible stumpy forms. These cells show a decreased lifespan, suggesting a critical role for a kDNA-encoded product in the stumpy form. Tsetse fly infections show kDNA is indispensable for progression to the PCF. Unexpectedly, parasites homozygous for L262Pγ can establish a midgut infection, while they do not infect the salivary glands. Heterozygous parasites, on the other hand, can form animal-transmissible metacyclics in the salivary glands, providing a potential mechanism for spreading decreased sensitivity to multiple drugs.

Contrasting physiological requirements for T. brucei survival between procyclic (vector) and bloodstream (mammal) forms necessitate different molecular processes and therefore changes in protein expression. Transcriptional regulation is unusual in T. brucei because the arrangement of genes is polycistronic; however, genes which are transcribed together are subsequently cleaved into separate mRNAs by trans-splicing and are individually regulated. During the process of trans-splicing, a 39-nucleotide splice-leader RNA is added to the 5´ end of mRNA. In this study, gene regulation in trypanosomes will be examined in the context of the 7-methylguanosine cap attached to the 5´ end of the splice-leader. Interestingly, in addition to the capping enzymes identified in other eukaryotes, trypanosomatids have an additional guanylyltransferase and methyltransferase in the form of a bifunctional enzyme (TbCGM1). TbCGM1 was found to be essential in bloodstream form T. brucei, although the purpose of this bifunctional capping enzyme remains unclear. Null mutants of a related enzyme, monomeric methyltransferase TbCMT1, did not show an effect on cell viability in culture, however, the enzyme proved to be important for virulence in vivo. Complementary to the study of T. brucei capping enzymes, we worked to develop a method to allow structural analysis of the 5´mRNA cap by mass spectrometry. Following pre-mRNA processing, regulation of the mature mRNAs is a tightly controlled cellular process. While multiple stage-specific transcripts have been identified, previous studies using RNA-seq found that the changes in overall transcript level do not necessarily reflect the abundance of the corresponding proteins. We hypothesized that in addition to mRNA stability, mRNA recruitment to ribosomes may play a significant role in the regulation of gene expression in T. brucei. To approach this question, we performed RNA-seq of total, subpolysomal, and polysomal mRNA. This transcriptomic data was then correlated with published proteomic studies to obtain a global picture of the relative translation efficiencies and their relationship to steady-state protein levels between bloodstream and procyclic form T. brucei.

Die Schlafkrankheit hat ihren Schrecken seit den Zeiten Robert Kochs und Paul Ehrlichs nicht verloren. Die zielgerichtete Entwicklung neuer Medikamente ist für die Menschen in den Endemiegebieten damals wie heute von elementarer Bedeutung. Die Naphtylisochinolin-Alkaloide stellen eine neue chemische Substanzklasse dar, die gute Kandidaten für die Entwicklung neuer Medikamente enthält. Mit GBAP 94 im speziellen liegt eine Substanz vor, die gute Startvorrausetzungen hierfür mitbringt. Diese sind eine sehr gute Wirksamkeit gegen Trypanosomen, gepaart mit einer hohen Selektivität durch einen sehr wahrscheinlich relativ spezifisch anti-trypanosomalen Wirkmechanismus. Die verwendeten Naphtylisochinolin-Alkaloide GBAP 94 und GBAP 146 wurden nach unterschiedlichen Gesichtspunkten ausgewählt. GBAP 94 wurde aufgrund seiner guten antitrypanosomalen Wirkung und seiner hohen Selektivität für Trypanosomen ausgewählt. Die IC50 liegt mit 0,383 µmol/l im Vergleich zu den aktuell verwendeten Medikamenten sehr niedrig. Die Selektivitätsindices (IC50 Trypanosoma brucei brucei / IC50 Makrophagen J774.1) mit 85,6 und (IC50 Try-panosoma brucei brucei / IC50 Leishmania major) mit 15,1 liegen in einem sehr günstigen Bereich. GBAP 146 wurde hauptsächlich wegen seiner guten Fluoreszenz-Eigenschaften ausgewählt. Die antitrypanosomale Aktivität ist mit einer IC50 von 0,289 µmol/l zwar sehr gut, eine große Selektivität ist aber nicht gegeben. Die beiden Alkaloide waren aufgrund ihrer Eigenfluoreszenz gut fluoreszenz-mikroskopisch in den Parasiten zu detektieren. Nach 10 min war in den ersten Trypanosomen die Anreicherung der Wirkstoffe erkennbar. Nach 30 min war bei fast allen Parasiten eine Färbung erkennbar. Die Wirkstoffe reicherten sich zunächst in mehreren kleinen Vakuolen an. Bei längeren Inkubationszeiten zeigte sich eine fast homogene Verteilung innerhalb des kompletten Parasiten. Durch-gängig ausgespart blieb eine vakuolische Struktur. Diese entwickelte oder vergrößerte sich im Verlauf der Inkubationszeit im vorderen Drittel des Parasiten, etwa im Bereich des Kinetoplasten. Diese Vakuole konnte auch lichtmikroskopisch in der Giemsa-Färbung nachgewiesen werden. Der Anteil der veränderten Trypanosomen lag bei diesen Untersuchungen nach 1 h bei 25,4%, stieg bis zum Zeitpunkt 2 h auf 46,6% und stabilisierte sich nach 4 h bei 44,8%. Die vakuolische Struktur führte durch ihre Vergrößerung zur zunehmenden Verplumpung der Trypanosomen bis zu einer kugelförmigen Zellform mit geisselartig-wirkender Flagelle. Aufgrund der veränderten Form wurden die Zellorganellen verdrängt. Dies konnte durch die Fluoreszenzmarkierung des Mitochondriums mit Rodamine B Hexylester und der sauren Kompartimente, besonders des Lysosoms, mit LysoTracker® gezeigt werden. Die Vakuolisierung von Trypanosomen im Zusammenhang mit Apoptose ist bekannt. Die neu entstehende Vakuole konnte weder mit LysoTracker® green, noch mit dem endosomalen Farbstoff FM 4-64 angefärbt werden. Damit können eine lysosomale und eine endosomale Herkunft der Vakuole ausgeschlossen werden. Eine genaue Klärung der Genese der Vakuole steht noch aus. In den Untersuchungen mit Annexin V und Propidium-Jodid im FACS® konnte gezeigt werden, dass die Wirkung der NIQs sehr wahrscheinlich Apoptose induziert. Annexin V ist auch bei Trypanosomen als Marker für Apoptose etabliert. Zudem zeigte sich ein Anstieg der Anzahl apoptotischer Trypanosomen mit Periode von 6 h – 8 h. Diese Dauer entspricht ungefähr der Dauer des trypanosomalen Zellzyklus. Ein Eingriff der NIQs in den Zellzyklus ist somit sehr wahrscheinlich. Eine Hemmung von Teilen des Zellzyklus ist als Auslöser für Apoptose bekannt. Über die genaue Zielstruktur der NIQs kann allerdings nur spekuliert werden. Die apotose-induzierende Wirkung anderer Alkaloide auf Trypanosomen ist inzwischen nachgewiesen. Ein weiteres Indiz ist, dass die Ergebnisse von Ponte-Sucre mit den NIQs bei Leishmanien ebenfalls in Richtung Apoptose weisen. / The trypanosomiasis is still an emerging problem in sub-Saharan Africa. Due to the limitations of the currently used drugs and emerging drug resistance, there is an urgent need for the target-oriented development of novel therapies. Naturally occurring naphthylisoquinoline alkaloids (NIQs), axially chiral acetogenic products derived from tropical plants, have been investigated for their activity against Trypanosoma brucei brucei TC 221. The NIQ N-(3'-Methoxyphenyl)-6,8-dimethoxy-1,3-dimethylisochinoliniumtetrafluoroborate seems to be quite specific antitrypanosomal agent. This compound shows a low IC50-value of 0.383 µmol/l against Trypanosoma brucei brucei TC 221 in comparison to the current drugs. For controls another NIQ, N-(4'-N'-Dansylaminophenyl)-6,8-dimethoxy-1,3-dimethylisochinoliniumtrifluoro-acetate, eflornithine an amphotericin B, witch is described to induce apoptosis in trypanosomes, were used. Both NIQ could be detected directly because of their self-fluorescence in the fluorescence-microscopy. After 10 min an accumulation in the first parasites could be detected. After 30 min almost all parasites show the compounds. After an initial accumulation in small vesicles the NIQ spread homogeneous over nearly the whole parasite. Only a vacuole was spared. This structure developed or increased during incubation time. It was located in the front part of the parasite near the kinetoplast. This vacuole could also be detected in light-microscopy of Giemsa-stained parasites. The fraction of the affected trypanosomes was after 1 h 25.4% and increased up to 46.6% after 2 h and stayed almost in this level (44.8% after 4 h). The increase of the vacuole induced a dumpier up to spherical shape. The organelles were displaced. This could be shown by fluorescence-labelled mitochondria, stained with rodamine-B-hexylester, and the acidic compartments, especially the lysosome stained with LysoTracker®. The vacuolisation of trypanosoma brucei is described during apoptosis. The staining of the developing vacuole wasn’t possible neither with LysoTracker® nor with the endosomal staining FM 4-64®. A lysosomal or endosomal origin of this vacuole could be excluded. The genesis of this vacuole needs further investigation. In the FACS®-investigations with annexin V and propidium-iodide staining we got strong hints that the NIQs induce apoptosis. Annexin V is established as a marker for apoptosis in trypanosome. We found an increase of apoptotic parasites in a 6 h – 8 h period. This is also the time for the trypanosomal cell cycle. NIQs seem to interfere with the cell cycle. This is descried from various authors as a trigger for apoptosis. The target structure is however still unknown. Results of other groups indicate an apoptosis-inducing effect of alkaloids in trypanosoma or leishmania.

Post-translational histone modifications (PTMs) such as methylation of lysine residues influence chromatin structure and function. PTMs are involved in different cellular processes such as DNA replication, transcription and cell differentiation. Deregulations of PTM patterns are responsible for a variety of human diseases including acute leukemia. DOT1 enzymes are highly conserved histone methyltransferases that are responsible for methylation of lysine 79 on histone H3 (H3K79). Most eukaryotes contain one single DOT1 enzyme, whereas African trypanosomes have two homologues, DOT1A and DOT1B, which methylate H3K76 (H3K76 is homologous to H3K79 in other organisms). DOT1A is essential and mediates mono- and di-methylations, whereas DOT1B additionally catalyzes tri-methylation of H3K76. However, a mechanistic understanding how these different enzymatic activities are achieved is lacking. This thesis exploits the fact that trypanosomes possess two DOT1 enzymes with different catalytic properties to understand the molecular basis for the differential product-specificity of DOT1 enzymes. A trypanosomal nucleosome reconstitution system was established to analyze methyltransferase activity under defined in vitro conditions. Homology modeling allowed the identification of critical residues within and outside the catalytic center that modulate product-specificity. Exchange of these residues transferred the product-specificity from one enzyme to the other and revealed regulatory domains adjacent to the catalytic center. This work provides the first evidence that few specific residues in DOT1 enzymes are crucial to catalyze methyl-state-specific reactions. These results have also consequences for the functional understanding of homologous enzymes in other eukaryotes. / Posttranslationale Histonmodifizierungen (PTMs), wie beispielsweise die Methylierung von Lysinseitenketten, beeinflussen maßgeblich die Struktur und Funktion von Chromatin. PTMs spielen eine wichtige Rolle in verschiedensten zellulären Prozessen, darunter DNA Replikation, Transkription oder Zelldifferenzierung. Darüber hinaus liegt ein verändertes PTM-Muster einer Vielzahl humaner Erkrankungen zugrunde, wie z.B. der akuten myeloischen Leukämie. DOT1-Enzyme sind hochkonservierte Histonmethyltransferasen, die für die Methylierung von Lysin 79 in Histon H3 (H3K79) verantwortlich sind. Im Gegensatz zu den meisten Eukaryoten, die lediglich ein einziges DOT1-Enzym besitzen, finden sich zwei homologe Proteine in afrikanischen Trypanosomen (DOT1A und DOT1B), die Lysin 76 in Histon H3 (H3K76) methylieren (H3K76 ist homolog zu H3K79 in anderen Organismen). DOT1A ist essentiell und katalysiert Mono- und Di-Methylierungen, wohin gegen DOT1B darüber hinaus eine Trimethylierung an H3K76 setzen kann. Derzeit fehlt jegliches mechanistische Verständnis darüber, wie beide Enzyme diese unterschiedliche Produktspezifität erreichen. Die vorliegende Dissertation macht sich den Umstand zunutze, dass Trypanosomen zwei DOT1-Methyltransferasen mit unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften besitzen, um Einblicke in die molekulare Grundlage der unterschiedlichen Produktspezifität zu erlangen. Zunächst wurde ein Rekonstitutionssystem für Nukleosomen aus Trypanosomen etabliert, das es ermöglichte die Methyltransferase-Aktivitäten unter definierten in vitro Bedingungen zu analysieren. Homologiemodelle erlaubten die Identifikation von wichtigen Aminosäurepositionen innerhalb und außerhalb des katalytischen Zentrums der Enzyme, die einen Einfluss auf die Produktspezifität haben. Ein Austausch der Aminosäuren an diesen Positionen führte zu einer Umwandlung der Produktspezifität und offenbarte gleichzeitig DOT1A- und DOT1B-spezifische regulatorische Domänen, die an das katalytische Zentrum angrenzen. Diese Arbeit liefert erste Hinweise, dass wenige maßgebliche Aminosäuren in DOT1-Enzymen für den H3K76-Methylierungsgrad während der Katalyse entscheidend sind. Darüber hinaus haben die hier dargestellten Ergebnisse ebenfalls Konsequenzen für das funktionale Verständnis der homologen Enzyme in anderen Eukaryoten.

The protozoan parasite Trypanosoma brucei is the causal agent of sleeping sickness and besides its epidemiological importance it has been used as model organism for the study of many aspects of cellular and molecular biology especially the post-transcriptional control of gene expression. Several studies in the last 30 years have shown the importance of mRNA processing and stability for gene regulation. In T. brucei genes are unusually arranged in polycistronic transcription units (PTUs) and a coupled process of trans-splicing and polyadenylation produces the mature mRNAs. Both processes, mRNA processing and stability, cannot completely explain the control of gene expression in the different life cycle stages analyzed in T. brucei so far. In recent years, the relevance of expression regulation at the level of translation has become evident in other eukaryotes. Therefore, in the first part of my thesis I studied the impact of translational regulation by means of a genome-wide ribosome profiling approach. My data suggest that translational efficiencies vary between life cycle stages of the parasite as well as between genes within one life cycle stage. Furthermore, using ribosome profiling I was able to identify many new putative un-annotated coding sequences and to evaluate the coding potential of upstream open reading frames (uORF). Comparing my results with previously published proteomic and RNA interference (RNAi) target sequencing (RIT-seq) datasets allowed me to validate some of the new coding sequences and to evaluate their relevance for the fitness of the parasite. In the second part of my thesis I used the transcriptomic and translatomic profiles obtained from the ribosome profiling analysis for the identification of putative non-coding RNAs (ncRNAs). These results led to the analysis of the coding potential in the regions upstream and downstream of the expressed variant surface glycoprotein (VSG), which is outlined in the third part of the results section. The region upstream of the VSG, the co-transposed region (CTR), has been implicated in an increase of the in situ switching rate upon its deletion. The ribosome profiling results indicated moderate transcription but not translation in this region. These results raised the possibility that the CTR may be transcribed into ncRNA. Therefore, in the third part of my thesis, I performed a primary characterization of the CTR-derived transcripts based on northern blotting and RACE. The results suggested the presence of a unique transcript species of about 1,200 nucleotides (nt) and polyadenylated at the 3’-end of the sequence. The deletion of the CTR sequence promoting and increase of the in situ switching rates was performed around 20 years ago by means of inserting reporter genes. With the recent development of endonuclease-based tools for genome editing, it is now possible to delete sequences in a marker-free way. In the fourth part of my thesis, I show the results on the implementation of the highly efficient genome-editing CRISPR-Cas9 system in T. brucei using episomes. As a proof of principle, I inserted the sequence coding for the enhanced green fluorescent protein (eGFP) at the end of the SCD6 coding sequence (CDS). Fluorescent cells were observed as early as two days after transfection. Therefore, after the successful set up of the CRISPR-Cas9 system it will be possible to modify genomic regions with more relevance for the biology of the parasite, such as the substitution of codons present in gene tandem arrays. The implementation of ribosome profiling in T. brucei opens the opportunity for the study of translational regulation in a genome-wide scale, the re-annotation of the currently available genome, the search for new putative coding sequences, the detection of putative ncRNAs, the evaluation of the coding potential in uORFs and the role of unstranslated regions (UTRs) in the regulation of translation. In turn, the implementation of the CRISPR-Cas9 system offers the possibility to manipulate the genome of the parasite at a nucleotide resolution and without the need of including resistant makers. The CRISPR-Cas9 system is a powerful tool for editing ncRNAs, UTRs, multicopy gene families and CDSs keeping their endogenous UTRs. Moreover, the system can be used for the modification of both alleles after just one round of transfection and of codons coding for amino acids carrying post-translational modifications (PTMs) among other possibilities. / Trypanosoma brucei ist nicht nur als Erreger der Schlafkrankheit von großer epidemiologischer Bedeutung, sondern dient auch der Zell-­‐ und Molekularbiologie – insbesondere zur Erforschung der Genregulation auf posttranskriptionaler Ebene – als wichtiger Modellorganismus. In den vergangenen 30 Jahren konnten mehrere Forschungsarbeiten zeigen, dass mRNA-­‐Stabilität und –Prozessierung maßgeblich zur Regulation der Genexpression beitragen. Anders als in den meisten Eukaryoten sind die Gene in T. brucei in polycistronischen Transkriptionseinheiten (PTUs) angeordnet. Die reife mRNA entsteht aus dem polycistronischen Transkript in einem gekoppelten Prozess aus Trans-­‐splicing und paralleler Polyadenylierung. Beide Vorgänge allein, mRNA-­‐Stabilität und –Prozessierung, reichen nicht aus, um die Regulation der Genexpression in T. brucei vollständing zu erklären und zusätzliche Mechanismen müssen wirksam sein. Daher habe ich im ersten Teil meiner hier vorliegenden Doktorarbeit die Genregulation auf Ebene der Translation mittels genomweitem Ribosome Profiling untersucht. Die dabei gewonnen Daten deuten darauf hin, dass die Translationseffizienzen nicht nur zwischen prozyklischen-­‐ und Blutstromformen des Parasiten differieren, sondern auch die Gene innerhalb eines Stadiums verschieden effizient translatiert werden. Zudem war es mir mit diesem Ansatz möglich, neue, noch nicht annotierte kodierende Sequenzen zu identifizieren und das Kodierungspotenzial der jeweils vorgelagerten offenen Leseraster (ORFs) zu evaluieren. Mithilfe bereits veröffentlichter Proteom-­‐ und RNA Interferenz-­‐ Studien (RIT-­‐seq) konnte ich einige der neu identifizierten kodierenden Sequenzen validieren und deren Bedeutung für die Fitness des Parasiten bestimmen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die ermittelten Translations-­‐ und Transkriptionsprofile miteinander verglichen, um auf diese Weise mögliche nicht-­‐kodierende RNAs (ncRNAs) zu identifizieren. Dies führte zu einer eingehenderen Betrachtung der Kodierungspotenziale der dem exprimierten variablen Oberflächenproteins (VSG) vor-­‐ und nachgeschalteten Regionen. In früheren Arbeiten wurde bereits beschrieben, dass eine Deletion der dem VSG vorgelagerten, sogenannten co-­‐transposed region (CTR), vermehrt zu einer Aktivierung einer alternativen VSG Expressionsseite (in situ switches) führt. Ribosome Profiling zeigte, dass eben jede Regionen zwar moderat transkribiert, jedoch nicht translatiert werden. Da diese Ergebnisse vermuten ließen, dass die CTR für eine ncRNA kodiert, hab ich im dritten Teil meiner Arbeit die CTR Transkripte mittels Northern Blot und RACE weiter charakterisiert. Auf diese Weise konnte ich spezifische, 1200 Nukleotide (nt) lange und am 3`-­‐Ende polyadenylierte Transkripte nachweisen. Die bereits erwähnte Deletion der CTR verbunden mit einer erhöhten Rate an in situ switches wurde vor etwa 20 Jahren durch Insertion von Reportergenen durchgeführt. Heute ist es möglich mithilfe von Endonukleasen Genome ohne solche Marker zu editieren. So beschreibt der vierte Teil der Arbeit die Konstruktion von Episomen zur Etablierung und Anwendung des CRISPR-­‐ Cas9 Systems in T. brucei. Als Machbarkeitsnachweis wurde die kodierende Sequenz des grün fluoreszierenden Proteins (eGFP) am Ende des SCD6 Gens als Fusionsprotein inseriert. Grün fluoreszierende Zellen konnten bereits zwei Tage nach der Transfektion nachgewiesen werden. Nachdem CRISPR-­‐Cas9 erfolgreich in T. brucei etabliert werden konnte, werde ich im Folgenden weitere relevante Regionen im Genom modifizieren und beispielsweise die Deletion zweier Histonvarianten durchführen. Die Ribosome Profiling Studie in T. brucei erlaubt es uns, genomweit Genregulation auf Ebene der Translation zu analysieren, das uns zurzeit vorliegende Genom zu re-­‐annotieren, neue kodierende Sequenzen wie auch ncRNAs zu identifizieren und den Einfluss nicht-­‐kodierender Sequenzen auf die Translation zu untersuchen. Gleichzeitig ermöglicht die Etablierung des CRISPR-­‐ Cas9 Systems in T. brucei eine hochpräzise Manipulation des Genoms ohne den Einsatz von Resistenzmarkern. Auf diese Weise ist es möglich, Gene zu modifizieren und dabei die zugehörigen untranslatierten Bereiche (UTRs) zu erhalten, aber auch ncRNAs, UTRs und mehrfache Kopien eines Gens (gleichzeitig) zu editieren. Ebenso können einzelne Kodons in der Sequenz und somit posttranslational modifizierte Aminosäuren im Genprodukt verändert werden, was uns weitere Möglichkeiten zur Erforschung der Genregulation eröffnet.

Thesis (Ph.D.)--Murdoch University, 2005. / Thesis submitted to the Division of Health Sciences. Bibliography: leaves 141-163.