Das SPARk-Projekt wirft Licht auf den Prozess der geschlechtlichen Teilung in P. falciparum

Plasmodium falciparum ist für mehr als 75 % der Malariafälle in Afrika verantwortlich und darüber hinaus die tödlichste Form der Erkrankung. Was den Parasiten innerhalb der Forschungsgemeinschaft besonders berühmt – oder eher faszinierend – macht, ist sein komplexer Lebenszyklus: In den 14 Tagen nach einem Biss durch eine infizierte weibliche Malariamücke teilen sich die in die Leber gelangten Parasiten und vermehren sich asexuell, wodurch zehntausende Merozoiten entstehen, die aus der Leberzelle ausbrechen und in die roten Blutkörperchen eindringen.

Während sich manche dieser Merozoiten in Schizonten teilen, werden andere zu geschlechtlichen Formen männlicher und weiblicher Gametozyten, die beim Biss von weiblichen Malariamücken aufgenommen werden. Auch wenn dieser Prozess wohlbekannt ist, weiß man derzeit noch wenig über die Mechanismen der Umwandlung von Parasiten in spezialisierte Phasen, die sich geschlechtlich entwickeln können.

Im Rahmen ihrer Studie der Gametozytogenese an der Harvard School of Public Health, erzielte Dr. Kathrin Buchholz einen Durchbruch, indem sie die Pfade identifizierte, die beim Beginn der geschlechtlichen Trennung hochreguliert werden. Sie fand heraus, dass vier Gene, die an verschiedenen Aspekten der post-transkriptionalen Genregulierung beteiligt sind, in deutlich erhöhter Zahl vorhanden waren, und beschloss daher, diesen Teil der Gametozytenbiologie weiter zu analysieren, was dank der Finanzierung im Rahmen des SPARk-Projekts (Adding Pieces to the Puzzle of Sexual Differentiation In P. falciparum: A Systematic Analysis of RNA Processing) möglich war.

Als sich das Projekt dem Ende näherte, erklärte sich Dr. Buchholz bereit, ihren Ansatz und die Art und Weise, wie ihre Forschung schließlich zu besseren Gesundheitsbedingungen in stark von Malaria betroffenen Ländern beitragen kann, zu besprechen.

Warum ist es so wichtig, die Transformation des Parasiten in Gametozyten zu untersuchen?

Die derzeit eingesetzten Malariamittel zielen auf die Parasitenphase ab, die für die Symptome und die Sterblichkeit der Erkrankung verantwortlich sind – die sich asexuell replizierenden Parasiten. Doch die Parasiten, die für den Abschluss des Lebenszyklus der Moskitovektoren verantwortlich sind, sind die Gametozyten. Um auf globaler Ebene gegen Malaria zu kämpfen, ist es erforderlich, Interventionsstrategien gegen Gametozyten mit einzubinden, da dies die Phasen sind, die für die Ausbreitung der Krankheit verantwortlich sind. Wir hoffen, mit diesem Projekt eine Grundlage für neuartige Interventionsstrategien zur Blockierung der Übertragung zu schaffen.

Welche Wissenslücken genau wollten Sie schließen, und warum?

Die verschiedenen Gametozytenphasen gehen mit charakteristischen Mustern der für die geschlechtliche Phase spezifischen Genexpression einher. In den letzten Jahren haben wir immer mehr über die sexuelle Bindung und Gametozytenbiologie erfahren. Das gilt insbesondere für das Verständnis der molekularen Mechanismen, die zu der sexuellen Bindung führen.

Es bleiben jedoch beachtliche Wissenslücken, wie Angaben dazu, wie sich externe Anregungsmittel auf die sexuelle Bindung in Plasmodium und weiter nachgelagerte molekulare Prozesse nach der Bindung, aber im frühen Stadium im geschlechtlichen Lebenszyklus von Plasmodium, auswirken. Mit dem SPARk-Projekt wollte ich genauere Einblicke in diese frühen Vorgänge erlangen.

Wie sind Sie dazu vorgegangen?

Um mehr Informationen über die Bedeutung der Gene, die in diesem Projekt für die geschlechtliche Trennung in Plasmodium ausgewählt wurden, zu gewinnen, habe ich einen Knock-Down-Ansatz verfolgt.

Das System der sogenannten destabilisierenden Domain (DD) ermöglicht die Regulierung der Proteinspiegel. Es wird angenommen, dass DD-Fusionsproteine sich in Abwesenheit eines Liganden schnell abbauen und sich stabilisieren, wenn ein Ligand vorliegt. Transgene Parasitenlinien wurden erzeugt, und dann habe ich diese Domain den Genen hinzugefügt, für die ich mich interessierte.

Ein großer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass es eine gute Grundlage für künftige pharmakologische Eingriffe bildet. Diese Art der Methode ermöglicht die Auswahl von Genen mit einem essenziellen Phänotyp bei einer Verringerung des Proteinspiegels um 70-80 % (jedes Gen hat einen eigenen Spiegel). Diese Spiegel können später auch durch pharmakologische Eingriffe erreicht werden.

Worin sehen Sie Ihre wichtigsten Erkenntnisse?

SPARk zielte darauf ab, die Funktionen von vier Genen in der geschlechtlichen Entwicklung zu analysieren. Alle Gene hatten bei der Kontrolle der Genexpression vorhergesagte Funktionen. Derzeit scheint es, dass zwei der vier Gene einen wichtigen Phänotyp mit einer insgesamt verringerten Anzahl an Gametozyten haben. Da umgekehrte genetische Ansätze bei Plasmodium sehr zeitaufwendig und anfällig für technische Schwierigkeiten sind, befinden wir uns derzeit im Prozess, diese Erkenntnisse zu verifizieren.

Zu welchen Arten neuer Behandlungen könnte dieses Projekt führen?

Es gibt ein zugelassenes Medikament, das Teil der WHO-Empfehlung zur Behandlung von Malaria als gametozide Komponente ist: Primaquin. Die Verwendung dieses Medikaments wird jedoch durch die Nebenwirkungen behindert, und es kann nicht in allen Patientengruppen verwendet werden.

Daher besteht ein dringender Bedarf nach der zielbasierten Entwicklung von Medikamenten, die sich gegen P. falciparum-Gametozyten richten. Wenn wir Gene mit einer validierten Bedeutung für die Entwicklung des Plasmodium-Gametozyten beschreiben könnten, wären wir in der Lage, mit der Entwicklung neuartiger Hemmstoffe fortzufahren. Das rekombinante Protein dieses validierten Gens könnte dann rekombinant exprimiert, ein mit hohem Durchsatz kompatibler Assay etabliert und Hemmstoffe könnten gescreent werden. Im Idealfall würde dies einen spezifischen Hemmstoff ergeben, der ausschließlich auf das validierte Ziel einwirkt.

Neben potenziellen Behandlungen: Welche Auswirkung des Projekts erhoffen Sie sich?

Neben dem Potenzial, dass dieses Projekt zu validierten Zielen für die rationale Medikamentenentwicklung führt, möchten wir ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen erlangen, die während der geschlechtlichen Entwicklung in Malariaparasiten geschehen. Genauer hoffen wir, neuartige Mechanismen beschreiben zu können, die unsere Kenntnisse davon, wie Plasmodium-Parasiten komplexe genetische Schaltvorgänge orchestrieren und die Zellantwort auf Entwicklungssignale modulieren, verbessern könnten.

Haben Sie Pläne für nachfolgende Forschungsarbeiten?

Ja, die nächsten Schritte bestehen darin, mit der ausgearbeiteten Strategie für die rationale Medikamentenentwicklung fortzufahren, z. B. mit rekombinanten Proteinen und dem Screening von Hemmstoffen zu arbeiten. Darüber hinaus werden wir versuchen, die Bedeutung dieser Gene auf molekularer Ebene besser zu verstehen. Außerdem diente das Projekt dazu, die erforderlichen Methoden festzulegen, und ich habe in die Arbeitsplanung bereits weitere Gene aufgenommen (z. B. Stoffwechselenzyme).