Diss. Naturwiss. Bern (kein Austausch). / Mit Sonderdrucken.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met samenvatting in het Nederlands.

Diss. Naturwiss. Bern (kein Austausch). / Teilweise SA. aus verschiedenen Zeitschriften.

Tübingen, Univ., Diss., 2006.

African trypanosomes are the causative agents of fatal diseases in humans and livestock. Trypanosomes show a complex lifecycle and shuttle between the transmitting vector, the tsetse (Glossina spec.), and the mammalian host. As a result of this the parasite undergoes tremendous changes in morphology and metabolism to adapt to the different living environments. The two best-studied lifecycle stages are the procyclic forms (PCF) that live in the tsetse fly and the proliferative bloodstream form (BSF) that resides in the mammalian blood. The most conspicuous weapon that trypanosomes use to evade the host immune attack is a dense layer of a single protein type, the variant surface glycoprotein (VSG), which shields the entire cell surface. Immune evasion required high rates of surface membrane turnover and surface coat recycling. Trypanosomes show highly polarised cell architecture with all major eukaryotic organelles (endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, endosomal apparatus, lysosome, mitochondrion and peroxisome-like glycosomes) generally present in single copy. Furthermore, trypanosomes possess a single flagellum, which is important not only for cellular motility but also for cell division. How the duplication of all these cellular components is coordinated in order to progresss through the cell division cycle is poorly understood. We used trypanosomes as a model organism due to the relative simplicity and the polarised nature of their cell architecture and determined the duplication of all their compartments. This was only possible due to a new synchronisation approach developed during this project. In the first part of the thesis a precise temporal map of the cell division cycle of the BSF T. brucei cell division cycle was generated. By the use of well-described morphological markers (K/N status, new flagellum outgrowth and DNA synthesis) the position of individual cells was determined with high temporal resolution; this allowed us for the first time to synchronise a cell population in silico without affecting the naturally asynchronous growth. In the second part of the thesis we used this tool to follow duplication events of the Major organelles during progression through the cell division cycle. We precisely determined the time points of organelle duplication and found that it is ordered in trypanosomes. Furthermore we found that BSF T. brucei cells do not grow continuously, cell size start to increase rapidly, during a short period of time, late in the cell division cycle. We speculate that the initiation of cell volume increase is temporally separated from the formation of all secretory organelles in order to ensure maintenance of the protective coat, which must remain intact at all times in order for BSF trypanosomes to be able to evade the host immune response. / Afrikanische Trypanosomen sind Erreger fataler Krankheiten sowohl bei Menschen also auch bei Nutztieren. Trypanosomen weisen einen komplexen Lebenszyklus auf und wechseln hierbei zwischen ihrem Überträger, der Tsetse Fliege (Glossina spec.) und ihrem Säugerwirt. Hieraus resultierend, erlebt der Parasit dramatische Veränderungen der Zellmorphologie und des Zell- metabolismus um sich an die jeweiligen Lebensräume anzupassen. Die zwei am besten unter- suchten Lebensstadien sind die Prozyklische Form (PCF), welche in der Tsetse Fliege vor- kommt und die Blutstrom Form, welche im Säugerwirt zirkuliert. BSF Trypanosomen leben extrazellulär im Säugerblut und sind hier kontinuierlich der Immunabwehr des Wirtes ausge- setzt. Durch einen dichten Proteinmantel eines einzigen Proteintyps, dem variablen Oberflä- chenglykoproteins (VSG) ummantelt der Parasit seine Zelloberfläche und schützt so invariable Proteine vor der Erkennung durch das Immunsystem. Um diesen VSG Mantel aufrecht zu er- halten werden enorm hohe Raten an Oberflächen-membran- und VSG- Recycling benötigt. Trypanosomen weisen eine hoch polarisierte Zellarchitektur auf und die wichtigen Organellen (Endoplasmatisches Retikulum, Golgi Apparat, Endosomaler Apparat, Lysosome, Mitochondri- um und Glykosomen) sind generell in einfacher Kopie vorhanden. Weiterhin besitzen Trypano- somen ein einzenes Flagellum welches sowohl für die Bewegung als auch die Zellteilung des Parasiten von großer Bedeutung ist. All diese Bestandteile müssen während des Zellzyklus verdoppelt werden um zwei lebensfähige Tochterzellen zu generieren. Über die Koordinierung und die Mechanismen der Organellenteilung ist kaum etwas bekannt. Wir nutzen den einfachen Zellaufbau und die polarisierte Zellarchitektur von Trypanosomen um die Verdopplung der zel- lulären Bestandteile zu untersuchen. Dies war jedoch nur durch einen neuen Synchronisie- rungsansatz möglich der im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und etabliert wurde. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine zeitlich hoch aufgelöste Kartierung des Zellzyklus vorge- nommen. Wir nutzen morphologisch gut beschriebene Marker um die Position einzelner Zellen im Zellzyklus zeitlich sehr genau zu bestimmen, somit kann eine in silico Synchronisierung durchgeführt werde ohne das natürliche Verhalten der Zellpopulation zu beeinflussen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde mittels dieser zeitlichen Zellzykluskarte der Teilungszeitpunkt aller wichtigen Organellen bestimmt. Hierbei fanden wir heraus, dass die Teilung der Zellorga- nellen in einer definierten Reihenfolge stattfindet. Weiterhin konnten wir zeigen, dass Trypano- somen nicht kontinuierlich wachsen, die Zelle wächst in einer relativ kurzen Phase, spät im Zellzyklus. Wir vermuten, dass die Teilung der sekretorischen Organellen und das Zellwachs- tums zeitlich voneinander getrennt sind um so den schützenden Proteinmantel, der für das überleben im Blut unabdingbar ist, aufrecht zu erhalten.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Thesis (Doctoral)--Universiteit van Amsterdam, 1982.

Die Diffusion von Membranproteinen spielt bei einer Vielzahl von zellbiologischen Prozessen eine zentrale Rolle. So hat die Beweglichkeit von Glykosyl-Phosphatidyl-Inositol-(GPI-) verankerten Proteinen zum Beispiel eine tragende Funktion bei der Alzheimer Krankheit, der Creutzfeldt-Jacob Krankheit und der Afrikanischen Schlafkrankheit. Der Erreger der Afrikanischen Schlafkrankheit, Trypanosoma brucei spec., präsentiert auf seiner Zelloberfläche einen dichten Mantel aus identischen GPI-verankerten Proteinen. Diese sogenannten Variant Surface Glycoproteins (VSGs) stellen den zentralen Pathogenitätsfaktor der Trypanosomen im Blutstrom des Wirtes dar und ermöglichen dem Parasiten die Antigene Variation. Während der Antigenen Variation wird der VSGMantel durch einen immunologisch distinkten Mantel ersetzt. Hierfür ist die Diffusion der VSG essentiell. In der vorliegenden Arbeit wird die Diffusion des VSG in lebenden Trypanosomen und in artifiziellen Membranen systematisch untersucht. Auf diese Weise werden der Einfluss der lateralen Proteindichte, der N-Glykosylierung und der Proteingröße auf die Diffusion der GPI-verankerten Proteine charakterisiert. Die Mobilität des VSG auf lebenden Trypanosomen ist an der Grenze zu einem Diffusionsschwellenwert, dieser wird allerdings nicht überschritten. Die Mobilität des VSG in der Nähe des Diffusionsschwellenwertes wird durch die N-Glykosylierung der VSG ermöglicht. Außerdem kann gezeigt werden, dass die Größe der Proteine einen entscheidenden Einfluss auf den Diffusionskoeffizienten der GPI-verankerten Proteine ausübt. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deutlich, dass der VSG-Mantel der Trypanosomen ein, an seine Anforderungen, hoch-adaptiertes System darstellt. Würde entweder die laterale Dichte, die N-Glykosylierung oder die Größe der Proteine beeinträchtigt werden, so wäre die Funktion der Antigenen Variation gestört und die Pathogenität des Parasiten gefährdet. Da die lokale Verteilung von GPI-verankerten Proteinen in biologischen Membranen ein wichtiges funktionelles Konzept darstellt, ist der Einfluss der untersuchten Faktoren nicht nur für den VSG-Mantel relevant, sondern kann auch für das generelle Verständnis der Dynamik von Proteinen in zellulären Membranen dienen. / The lateral diffusion of membrane anchored proteins plays a crucial role in many cell biological processes. The mobility of glycosylphosphatidylinositol- (GPI-) anchored proteins holds a pivotal function in many diseases such as, Creutzfeld-Jacob, Alzheimer and the African sleeping sickness. The cell surface of the pathogen causing African sleeping sickness, Trypanosoma brucei sp., is covered by a dense layer of identical GPI-anchored proteins. These variant surface glycoproteins (VSGs) are the major pathogenicity factor of the parasites in the circulation of the host and permit antigenic variation. During antigenic variation the VSG-coat has to be replaced by an immunologically distinct coat. For this purpose, the diffusion of VSG is essential. In the present study, the diffusion of VSG is analysed in living trypanosomes and in artificial membranes. By this, the impact of the lateral protein density, the Nglycosylation and the protein size on the lateral diffusion are studied systematically. The diffusion of VSG in the surface coat of the trypanosome is at the edge of a molecular crowding threshold. Importantly, this crowding threshold is not exceeded. N-glycosylation enables the diffusion of the VSG at the edge of the crowding threshold. Further, the diffusion coefficient of GPI-anchored proteins is strongly affected by the size of the proteins. In conclusion, the present study shows, that the VSG-coat of the trypanosomes is a system, which is highly adapted to its requirements. Any interference with either, the lateral density, the N-glycosylation or the VSG-size would hamper the pathogenicity of the parasite. The local distribution of GPI-anchored proteins is an essential component of biological membranes, thus the results of the present work will have an impact not only on the VSG-coat, but also give further understanding on the dynamics of proteins in crowded spaces.

Pathogens causing African animal trypanosomiasis (AAT), the major livestock disease in sub-Saharan Africa, belong to the salivarian group of the African trypanosomes, which are transmitted by the bite of the tsetse fly (Glossina spec.). T. vivax, T. congolense and T. brucei brucei are major pathogens of cattle in particular, causing nagana, with dramatic socio-economic consequences for the affected regions. The parasites additionally have a huge reservoir of other livestock and wild animal hosts. T. brucei, the species which also includes the subspecies pathogenic to humans causing sleeping sickness, has been extensively studied as the cultivatable model trypanosome. But less is known about the other salivarian species, which are not routinely held in culture, if at all possible. A hallmark of trypanosomal lifestyle is the protozoan flagellates incessant motility, which enables them to populate an enormous range of habitats in very diverse hosts. We were now able to characterize, for the first time with high spatiotemporal resolution microscopy, the swimming behaviour and mechanism of the most relevant salivarian species isolated directly from blood. We show the influence of viscosity on the motility of bloodstream form (BSF) cells and simulate their movement between erythrocytes, giving a clear picture of how all analyzed species move under varying environmental conditions. We show that although the basic mechanism of flagellar motility applies to all analyzed species, there are clear morphological differences that produce different reactions to the physical environment. We could define specific conditions for highly increased swimming persistence and speed for compared to the behaviour in standard culture. These results have important implications for the parasites survival strategies in the host, e.g. regarding the capacity for antibody clearance. Although we show all species to effectively remove antibodies from the cell surface, T. congolense differed markedly in its motility behaviour, which gives rise to interesting questions about this species behaviour in the bloodstream. Most of the T. congolense parasites (and to a lesser extent T. vivax) adhere to sheep erythrocytes. Further in vitro studies showed that T. congolense and T. vivax adhered to rabbit, goat, pig and cattle erythrocytes- but binding behaviour was absent in murine blood. Notably, both T. brucei and T. evansi lacked adherence to all studied host erythrocytes. Generally, attachment to blood cells caused reduction of swimming velocities. Judging from its cell architecture, as well as the motility studies in higher media viscosity and in micropillar arrays, T. congolense is not adapted to swim at high speeds in the mammalian bloodstream. Low swimming speeds could allow these purely intravascular parasites to remain bound to the host erythrocytes. / Die wichtigste Viehseuche des subsaharischen Afrika, die afrikanische Trypanosomiasis (AAT), wird durch Pathogene ausgelöst, die zu einer Gruppe der afrikanischen Trypanosomen gehört, die durch den Stich der Tsetsefliege übertragen werden (Salivaria). T. vivax, T. congolense und T. brucei brucei sind die Haupt-Erreger in Rindern, wo sie Nagana verursachen, mit dramatischen sozio-ökonomischen Folgen für die betroffenen Regionen. Die Parasiten haben zusätzlich ein riesiges Reservoir an Zucht- und Wildtieren als Wirte zur Verfügung. T. brucei, die Spezies die auch die humanpathogenen Subspezies umfasst, die Erreger der Schlafkrankheit, ist eingehend als das kultivierbare Trypanosomenmodell untersucht worden, aber es ist weniger über die anderen Salivaria Spezies bekannt, die nicht routinemäßig in Kultur gehalten werden, wenn überhaupt die Möglichkeit besteht. Ein Kennzeichen des trypanosomalen Lebensstils ist die unablässige Motilität der protozooischen Flagellaten, die es ihnen ermöglicht eine riesige Bandbreite an Habitaten in sehr diversen Wirten zu besiedeln. Wir waren in der Lage, zum ersten Mal mit räumlich und zeitlich hochauflösender Mikroskopie, das Schwimmverhalten und den Schwimmmechanismus der wichtigsten Salivaria Spezies zu charakterisieren, die direkt aus dem Blut isoliert wurden. Wir zeigen wie Viskosität die Motilität der Blutstromform (BSF)-Zellen beeinflußt und simulieren deren Bewegung zwischen Erythrozyten. Durch diese Ergebnisse erhalten wir ein klares Bild davon, wie die analysierten Spezies sich unter variierenden experimentellen Bedingungen bewegen. Wir zeigen, dass obwohl der grundlegende Mechanismus der flagellaren Motilität bei allen Spezies gleich ist, es klare morphologische Unterschiede gibt, die verschiedene Reaktionen auf die physikalische Umgebung zur Folge haben. Wir konnten spezifische Konditionen für stark erhöhte Persistenz und Schwimmgeschwindigkeit, im Vergleich zum Verhalten in der Standardkultur, bei T. vivax, T. evansi and T. brucei definieren. Diese Ergebnisse haben wichtige Implikationen für die Überlebensstrategien im Wirt, z.B. bezüglich der Kapazität für die Antikörperentfernung. Obwohl wir zeigen konnten, dass alle Spezies effektiv gebundene Antikörper von ihrer Oberfläche entfernen können, unterscheidet sich T. congolense stark in seinem motilen Verhalten, was interessante Fragen über das Verhalten dieser Spezies im Blutstrom aufwirft. Die meisten T. congolense Parasiten (und in geringerem Ausmaß T. vivax) adhärieren an Erythrozyten des Schafs. Weitere in vitro Versuche zeigten, dass T. congolense und T. vivax auch an Erythrozyten von Kaninchen, Ziege, Schwein und Rind binden, aber nicht im Blut von Mäusen. Interessanterweise adhärierten weder T. brucei noch T. evansi an Erythrozyten irgendeiner Wirts-Spezies. Im Allgemeinen hat die Bindung an Erythrozyten eine Reduktion der Schwimmgeschwindigkeit zur Folge. Nach der Zellarchitektur und dem Verhalten in Medien höherer Viskosität und zwischen Micropillar-Strukturen zu urteilen, ist T. congolense nicht adaptiert, um mit hohen Geschwindigkeiten im Blutstrom von Säugern zu schwimmen. Niedrige Schwimmgeschwindigkeiten könnten diesem rein intravaskulären Parasiten erlauben an den Erythrozyten des Wirts haften zu bleiben.

African trypanosomes are protist pathogens that are infective for a wide spectrum of mammalian hosts. Motility has been shown to be essential for their survival and represents an important virulence factor. Trypanosoma brucei is transmitted by the bite of the bloodsucking tsetse fly, the only vector for these parasites. The voyage through the fly is complex and requires several migration, proliferation and differentiation steps, which take place in a defined order and in specific fly tissues. The first part of this doctoral thesis deals with the establishment of the trypanosome tsetse system as a new model for microswimmer analysis. There is an increasing interdisciplinary interest in microbial motility, but a lack of accessible model systems. Therefore, this work introduces the first enclosed in vivo host parasite system that is suitable for analysis of diverse microswimmer types in specific microenvironments. Several methods were used and adapted to gain unprecedented insights into trypanosome motion, the fly´s interior architecture and the physical interaction between host and parasite. This work provides a detailed overview on trypanosome motile behavior as a function of development in diverse host surroundings. In additional, the potential use of artificial environments is shown. This can be used to partly abstract the complex fly architecture and analyze trypanosome motion in defined nature inspired geometries. In the second part of the thesis, the infection of the tsetse fly is under investigation. Two different trypanosome forms exist in the blood: proliferative slender cells and cell cycle arrested stumpy cells. Previous literature states that stumpy cells are pre adapted to survive inside the fly, whereas slender cells die shortly after ingestion. However, infection experiments in our laboratory showed that slender cells were also potentially infective. During this work, infections were set up so as to minimize the possibility of stumpy cells being ingested, corroborating the observation that slender cells are able to infect flies. Using live cell microscopy and fluorescent reporter cell lines, a comparative analysis of the early development following infection with either slender or stumpy cells was performed. The experiments showed, for the first time, the survival of slender trypanosomes and their direct differentiation to the procyclic midgut stage, contradicting the current view in the field of research. Therefore, we can shift perspectives in trypanosome biology by proposing a revised life cycle model of T. brucei, where both bloodstream stages are infective for the vector. / Afrikanische Trypanosomen sind pathogene Protisten, die ein breites Spektrum von Säugetierwirten infizieren. Es wurde gezeigt, dass die Zellmotilität für das Überleben der Parasiten essenziell ist und einen wichtigen Virulenzfaktor darstellt. Trypanosoma brucei wird durch den Biss der blutsaugenden Tsetsefliege übertragen, dem einzigen Vektor für diese Parasiten. Der Entwicklungszyklus in der Fliege ist komplex und beinhaltet mehrere Migrations-, Proliferations- und Differenzierungsschritte, die in einer definierten Reihenfolge und in spezifischen Fliegenorganen stattfinden. Der erste Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Etablierung des Trypanosomen Tsetse Systems als ein neues Modell für Motilitätsanalysen. Es besteht ein wachsendes interdisziplinäres Interesse an mikrobieller Motilität, aber es fehlen zugängliche Mikroschwimmersysteme. Deswegen stellt diese Arbeit das erste abgeschlossene in vivo Wirt Parasit System vor, das für Analysen von verschiedenen Mikroschwimmertypen in spezifischen Umgebungen geeignet ist. Verschiedene Methoden wurden benutzt und adaptiert, um sowohl Einblicke in die Trypanosomenbewegung, die innere Fliegenarchitektur als auch die physikalischen Wechselwirkungen zwischen Wirt und Parasit zu erhalten. Diese Arbeit bietet einen detaillierten Überblick über das motile Verhalten von Trypanosomen als Funktion der Entwicklung in diversen Wirtsumgebungen. Zusätzlich ist die potenzielle Nutzung von artifiziellen Umgebungen gezeigt. Diese können benutzt werden, um die komplexe Architektur der Fliege teilweise zu abstrahieren und die Trypanosomenbewegung in definierten und von der Nature inspirierten Geometrien zu analysieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Infektion der Fliege genauer betrachtet. Im Blut existieren zwei verschiedene Trypanosomenformen: proliferierende ‘slender’ und Zellzyklus arretierte ‘stumpy’ Zellen. Bisherige Literatur besagt, dass stumpy Zellen präadaptiert sind, um in der Fliege zu überleben, wohingegen slender Zellen kurz nach der Aufnahme sterben. Dennoch konnten Infektionsexperimente in unserem Labor zeigen, dass auch slender Zellen potenziell infektiös sind. Während dieser Arbeit wurden weitere Infektionen so durchgeführt, dass die Möglichkeit für die Aufnahme von stumpy Zellen minimiert wurde und die Infektionskapazität der slender Zellen bestätigt werden konnte. Durch Lebendzell Mikroskopie mit fluoreszenten Reporterzelllinien wurde eine vergleichende Analyse für die frühe Entwicklung von slender und stumpy Parasiten nach der Infektion durchgeführt. Die Experimente zeigten zum ersten Mal das Überleben von slender Trypanosomen in der Tsetsefliege und ihre direkte Differenzierung in das prozyklische Mitteldarmstadium. Sie widersprechen demnach der aktuellen Auffassung im Forschungsbereich. Demzufolge können wir von einem Perspektivwechsel in der Trypanosomenbiologie sprechen und schlagen einen revidierten Lebenszyklus für T. brucei vor, in dem beide Blutstromformen für den Vektor infektiös sind.