Analysis of Protein Translocation at the Interface between the Malaria Parasite Plasmodium falciparum and its Host Cell

Abstract

Malaria remains a major infectious disease with annually more than 200 million cases causing more than 400.000 deaths worldwide. It is caused by blood stages of lasmodium parasites. This phase of the parasite’s life cycle is characterised by the multiplication of the pathogen inside red blood cells (RBCs), leading to the destruction of the host cell and the release of new parasites that invade new RBCs. Inside its host cell, the pathogen resides in a membrane-bounded compartment termed the parasitophorous vacuole (PV). In order to create an optimal environment for growth and replication, the parasite modifies its host cell by exporting a variety of proteins into the infected erythrocyte. Some of these exported proteins lead to an enhanced nutrient uptake into the RBC and increase the rigidity of the cytoskeleton while others confer adhesion to the endothelium and undergo antigenic variation to evade the host immune system. A family of these exported surface antigens is responsible for many of the severe complications of malaria. Protein export into the infected RBC is thus crucial for both the development and the virulence of Plasmodium parasites. Exported proteins need to cross the parasite’s plasma membrane (PPM) as well as the PV membrane (PVM) in order to reach their destination. A recently identified protein complex called PTEX which is located at the inner surface of the PVM is thought to translocate exported proteins into the host cell. Several components of PTEX were shown to be essential for protein export. However, it is still unclear how PTEX facilitates the export of substrates that comprise remarkably different classes of proteins. It is also not known how transmembrane proteins cross the PPM before reaching PTEX. In this thesis, we utilise parasite proteins fused to conditionally foldable domains to demonstrate that different classes of exported proteins (soluble proteins as well as transmembrane proteins with or without canonical export signal) require unfolding in order to be successfully exported. We provide evidence that the export pathways of those proteins converge at the same unfolding-dependent step, and that this step is most likely located at the inner surface of the PVM, the site of PTEX activity. Lastly, we provide evidence that the export of some transmembrane proteins requires an additional unfolding-dependent step at the PPM. These findings contribute to our understanding of the sequence of trafficking events that exported proteins undergo at the interface between Plasmodium parasites and their host cell.

Mit jährlich über 200 Millionen Erkrankten und über 400.000 Todesopfern stellt Malaria weiterhin eine der bedeutsamsten Infektionskrankheiten weltweit dar. Die Krankheit wird durch Blutstadien von Parasiten der Gattung Plasmodium ausgelöst. Während dieses Abschnittes im Lebenszyklus des Parasiten vermehrt sich dieser in infizierten Erythrozyten, was schließlich zur Zerstörung der Wirtszelle und zur Freisetzung neuer Parasiten in die Blutbahn führt. In seiner Wirtszelle befindet sich der Krankheitserreger dabei in einem von einer Membran begrenzten Kompartiment, welches als parasitophore Vakuole (PV) bezeichnet wird. Um optimale Wachstumsbedingungen zu schaffen, modifiziert der Parasit seine Wirtszelle durch den Export einer Vielzahl von Proteinen in den infizierten Erythrozyten. Einige dieser exportierten Proteine führen zu einer erhöhten Nährstoffaufnahme in die infizierte Zelle und vermindern die Elastizität des Zytoskeletts, während andere zur Adhäsion des Erythrozyten am Gefäßendothel führen und durch Antigenvariation zur Umgehung der Immunantwort beitragen. Eine Familie solcher exportierter Oberflächenantigene ist auch für viele der schweren Komplikationen der Malaria verantwortlich. Der Export von Proteinen in infizierte Erythrozyten ist demnach ein entscheidender Mechanismus sowohl für das Wachstum als auch für die Virulenz von Plasmodium Parasiten. Um an ihren Zielort zu gelangen, müssen exportierte Proteine die Plasmamembran des Parasiten (PMP) und die PV-Membran (PVM) überqueren. Es wird angenommen, dass PTEX, ein Proteinkomplex an der luminalen Seite der PVM, exportierte Proteine in die Wirtszelle transloziert. Es wurde gezeigt, dass mehrere PTEX-Komponenten essentiell für den Export von Proteinen sind. Es ist jedoch unklar, wie PTEX den Export von Substraten mit teilweise sehr unterschiedlichen Eigenschaften ermöglicht. Auch ist bislang unbekannt, durch welchen Mechanismus exportierte Transmembranproteine über die PMP gelangen. In dieser Dissertation untersuchen wir den Exportmechanismus mithilfe von parasiteneigenen Proteinen, die mit Domänen modifiziert wurden, welche unter bestimmten Bedingungen an der Entfaltung gehindert werden können. So zeigen wir, dass verschiedene Klassen exportierter Proteine entfaltet werden müssen, um exportiert werden zu können. Zu den Klassen untersuchter Proteine gehören solche mit oder ohne bekanntem Exportsignal, lösliche Proteine sowie Transmembranproteine. Weiterhin zeigen wir, dass die Exportwege verschiedener Substrate an einem Punkt zusammentreffen, an dem die Polypeptide entfaltet werden müssen, und dass dieser Punkt an der luminalen Seite der PVM liegt, wo auch PTEX aktiv ist. Zuletzt liefern wir Hinweise darauf, dass einige exportierte Transmembranproteine zusätzlich bereits an einem früheren Punkt entfaltet werden müssen, um die PMP zu überqueren. Diese Ergebnisse tragen zu unserem Verständnis der Prozesse bei, die während des Blutstadiums von Plasmodien den Export von Proteinen über die Berührungsfläche zwischen Parasit und Wirtszelle ermöglichen.