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Forschungsschwerpunkte von Prof. Dr. Jude Przyborski

Dr. Mathias Diehl / Prof. Dr. Jude Przyborski


Forschungsinteressen: Molekulare Grundlagen des parasiteninduzierten Wirtszellumbaus

Der Eintritt eines Pathogens in eine kernhaltige Wirtszelle ist oft mit einer Reprogrammierung normaler Zellfunktionen verbunden. Dies kann entweder durch den Erreger selbst induziert werden, um seine Überlebenschancen zu erhöhen, oder eine Schutzreaktion der Zelle auf eine Infektion sein. Die Reprogrammierung der Wirtszelle kann auf vielen Ebenen erfolgen; sie kann durch eine Veränderung der Genexpression des Wirtsgens angetrieben werden oder auf einer posttranskriptionellen Ebene durch die Produktion und den Export von durch den Erreger kodierten Faktoren in die Wirtszelle, wo sie mit normalen zellulären Prozessen interferieren können, z.B. durch Veränderung des Redox- oder Phosphorylierungsstatus der Wirtszelle und ihrer Komponenten. Es besteht also eine direkte Wechselwirkung zwischen den zellulären Programmen und Faktoren der Wirtszelle und des Pathogens. Plasmodium falciparum dringt in den reifen menschlichen Erythrozyten ein und vermehrt sich in ihm. Trotz der metabolisch ruhenden Natur des Erythrozyten ist der Parasit dennoch in der Lage, die strukturellen und biochemischen Eigenschaften seiner Wirtszelle zu verändern, und passt sich selbst an diese intrazelluläre Lebensweise an. Mit P. falciparum als Modellorganismus ist es unser Ziel, die molekularen Grundlagen des zellulären Umbaus zu verstehen, der durch einen Erreger ausgelöst wird, der sich in einer Wirtszelle befindet, die entkernt ist und daher nicht in der Lage ist, auf eine Infektion durch Genregulation oder größere Veränderungen des Zellstoffwechsels zu reagieren, oder veranlasst werden, auf eine Infektion zu reagieren. Viele der durch den Parasiten induzierten Veränderungen werden durch Parasitenproteine vermittelt, die in die Wirtszelle exportiert werden. Aus diesem Grund untersuchen wir exportierte Proteine als ein Fenster in die Wirt-Parasit-Interaktion.

Malariaparasiten exportieren mehrere hundert Proteine in ihre Wirtszelle, wo sie eine Reihe von bedeutenden biochemischen, physiologischen und strukturellen Veränderungen vermitteln. Von besonderer Bedeutung für das Fortschreiten der Krankheit ist das parasiteninduzierte Phänomen der so genannten Cytoadhärenz, bei der infizierte Zellen an das Endothel im Körper anhaften. Dies führt zu einer Verringerung des Blutflusses zu zahlreichen Geweben und verursacht eine Pathologie im menschlichen Wirt. Die Cytoadhäsion wird durch ein vom Parasiten kodiertes Protein, PfEMP1, vermittelt, das im Parasiten synthetisiert, zur Plasmamembran der Wirtszelle transportiert und in diese eingefügt wird.

Das Auftreten von PfEMP1 an der Plasmamembran der Erythrozyten wirft eine faszinierende zellbiologische Frage auf: Wie wird PfEMP1 durch das Zytosol des Erythrozyten transportiert, einer Zelle, die selbst nicht in der Lage ist, den Proteintransport durchzuführen? In den letzten Jahren ist dieses Thema zum Gegenstand intensiven Forschungsinteresses geworden. Dabei hat sich gezeigt, dass PfEMP1 als Teil eines löslichen Proteinkomplexes durch die Wirtszelle transportiert zu werden scheint, bevor es beim Erreichen der Plasmamembran der Wirtszelle in eine membrangebundene Topologie eintritt.

Aufgrund der hydrophoben Natur von PfEMP1 stellten wir die Hypothese auf, dass dieses Protein wahrscheinlich in einer Chaperon-gebundenen Form durch die Wirtszelle transportiert wird. Um diesen potenziellen Mechanismus anzugehen, haben wir begonnen, exportierte Parasitenproteine zu untersuchen, die zur Klasse der Chaperone oder Co-Chaperone gehören, insbesondere Mitglieder der Familien Hsp40 und Hsp70. Es ist uns gelungen, Mitglieder dieser Familien auf neue Strukturen in dem infizierten Erythrozyten, die als J-Punkte bezeichnet werden, zu lokalisieren. Diese Strukturen scheinen neben exportierten Parasiten-Chaperonen und Co-Chaperonen auch PfEMP1 zu enthalten. Jüngste Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein exportiertes Parasiten-Chaperon (PfHsp70-x) die Virulenz von Parasiten im Blutstadium unterstützt. Dies unterstützt die Idee, dass parasitenkodierte Chaperonkomplexe für den effizienten Transport von PfEMP1 auf die Oberfläche der infizierten Wirtszelle erforderlich sind. Künftige Studien werden auf eine detailliertere molekulare Zerlegung des Transportweges von PfEMP1 zur Wirtszelloberfläche ausgerichtet sein, um die genaue Rolle der parasitenkodierten Chaperone und Co-Chaperone zu verstehen. Darüber hinaus wenden wir jetzt ein neuartiges genetisches System an, um die Funktion weiterer exportierter Parasitenproteine für das Überleben und die Virulenz der Parasiten zu untersuchen.

Der Transport von Parasitenproteinen durch den Erythrozyten ist eine einzigartige Situation in der eukaryotischen Zellbiologie. Es scheint, dass der Parasit ein Protein-Transportsystem innerhalb des Wirts-Erythrozyten "installiert", um den Transport von (zum Beispiel) PfEMP1 zur Zelloberfläche zu ermöglichen. Dieses Transportsystem ist daher ein attraktives Ziel für therapeutische Interventionen. In den letzten Jahren wurde eine große Anzahl von Substanzbibliotheken auf ihre Fähigkeit zur Abtötung von Malariaparasiten untersucht; unseres Wissens nach wurden dieselben Verbindungen jedoch nicht auf ihre Fähigkeit untersucht, den Proteintransport zu blockieren. Unser Ziel ist es, mit Hilfe einer transgenen Parasitenlinie, die fluoreszenzmarkiertes PfEMP1 exprimiert, einen Assay zu entwickeln, um nach Verbindungen zu suchen, die den Transport dieses Proteins an die Oberfläche beeinträchtigen. Dieser Assay sollte für das Screening mit mittlerem bis hohem Durchsatz (d.h. in Mikrotiterplatten) geeignet und für die automatische Bilderfassung und -verarbeitung geeignet sein. Die in diesem Assay identifizierten Verbindungen werden dann in detaillierteren Assays sekundär getestet, um ihre Wirkung auf den Transport von endogenen Parasitenproteinen zur Wirtszelloberfläche zu überprüfen. Diese Strategie hat letztendlich das Ziel, Medikamente zu entwickeln, die die Zytoadhäsion und damit die aus einer Infektion mit P. falciparum resultierende Pathologie hemmen können.

 

Spezifische Ziele für zukünftige Forschung

1. Die Rolle von exportierten Chaperonen/Co-Chaperonen im Proteinverkehr durch Generierung konditionaler funktioneller Mutanten-Zelllinien zu verstehen

2. Die Funktion der exportierten Parasitenproteine mit Hilfe eines neuartigen genetischen Systems zu analysieren

3. Kleine Moleküle, die in der Lage sind, PfEMP1 auf der Oberfläche der Wirtszelle zu blockieren, zu identifizieren

 

Zielanweisung

Wir wollen den molekularen Mechanismus verstehen, der dem Proteintransport in den mit Malaria infizierten Erythrozyten zugrunde liegt, um dieses System für die Entwicklung von Anti-Parasiten- oder Anti-Krankheitstherapien gezielt zu nutzen.