@phdthesis{Loewe2008,
  author    = {L{\"o}we, Tobias},
  title     = {Untersuchung von gene-drive-Strategien als neue Interventionsstrategien zur Eind{\"a}mmung der Malaria},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-28750},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit haben wir unter Nutzung bioinformatischer Methoden eine innovative Strategie zur Eind{\"a}mmung der Malaria entwickelt. Die genetische Modifikationsstrategie beinhaltet sowohl Manipulationen aufseiten des gef{\"a}hrlichsten Erregers, Plasmodium falciparum, als auch des Hauptvektors, Anopheles gambiae. In den Genomen beider Spezies wurden eine Reihe neuer konkreter targets identifiziert. Auch bereits beschriebene targets und Ans{\"a}tze wurden in die Strategie einbezogen bzw. weiter ausgestaltet. Bez{\"u}glich der Vektormoskitos wird die Verbreitung eines gegen{\"u}ber Plasmodien resistenten Genotyps angestrebt. Es werden einerseits effiziente nat{\"u}rliche und k{\"u}nstliche Resistenzgene diskutiert und andererseits eine bekannte Strategie zur Fixierung nat{\"u}rlicher Resistenzallele in nat{\"u}rlichen Populationen verbessert. Auf der Seite der Plasmodien erweiterten wir einen bereits von A. Burt (2003) beschriebenen Eradikationsansatz um weitere targets. Aus ethischen und evolutionsbiologischen Erw{\"a}gungen bevorzugen wir jedoch eine alternative Strategie, welche die Etablierung von in ihrer Virulenz gemilderten Parasiten zum Ziel hat. Der attenuierte Genotyp wird unter anderem durch komplexe Pathway-Remodellierungen beschrieben (L{\"o}we, Sauerborn, Schirmer, Dandekar, A refined genome engineering strategy against parasites and vectors, Manuskript beim Journal „Genome Biology" eingereicht). Da sich Mutanten in der Natur gegen Wildtyp-Organismen kaum durchsetzen k{\"o}nnen, werden zwei drive-Systeme beschrieben, welche f{\"u}r die Implementierung der genetischen Manipulationsstrategie entwickelt wurden. Beide Konstrukte wurden zur Patentierung angemeldet (Patentanmeldung U30010 DPMA bzw. Aktenzeichen 102006029354.1). Zus{\"a}tzlich zur deutschen wurde f{\"u}r eines der beiden Konstrukte eine PCT-Anmeldung eingereicht, welche in Zukunft einen internationalen Patentschutz erm{\"o}glichen soll. Es werden Kalkulationen vorgelegt, welche die Verbreitungstendenzen der Konstrukte in nat{\"u}rlichen Populationen vorhersagen. Die Beschreibung der entwickelten Konstrukte beschr{\"a}nkt sich nicht auf das prim{\"a}re Anwendungsgebiet der Arbeit (Malaria), sondern beinhaltet auch andere Anwendungsgebiete, vor allem im Bereich der Medizin und Molekularbiologie.},
  subject      = {Malaria tropica},
  language  = {de}
}
@article{AkhoonSinghVarshneyetal.2014,
  author    = {Akhoon, Bashir A. and Singh, Krishna P. and Varshney, Megha and Gupta, Shishir K. and Shukla, Yogeshwar and Gupta, Shailendra K.},
  title     = {Understanding the Mechanism of Atovaquone Drug Resistance in Plasmodium falciparum Cytochrome b Mutation Y268S Using Computational Methods},
  series = {PLOS ONE},
  volume    = {9},
  journal   = {PLOS ONE},
  number    = {10},
  doi       = {10.1371/journal.pone.0110041},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-114882},
  pages     = {e110041},
  year      = {2014},
  abstract  = {The rapid appearance of resistant malarial parasites after introduction of atovaquone (ATQ) drug has prompted the search for new drugs as even single point mutations in the active site of Cytochrome b protein can rapidly render ATQ ineffective. The presence of Y268 mutations in the Cytochrome b (Cyt b) protein is previously suggested to be responsible for the ATQ resistance in Plasmodium falciparum (P. falciparum). In this study, we examined the resistance mechanism against ATQ in P. falciparum through computational methods. Here, we reported a reliable protein model of Cyt bc1 complex containing Cyt b and the Iron-Sulphur Protein (ISP) of P. falciparum using composite modeling method by combining threading, ab initio modeling and atomic-level structure refinement approaches. The molecular dynamics simulations suggest that Y268S mutation causes ATQ resistance by reducing hydrophobic interactions between Cyt bc1 protein complex and ATQ. Moreover, the important histidine contact of ATQ with the ISP chain is also lost due to Y268S mutation. We noticed the induced mutation alters the arrangement of active site residues in a fashion that enforces ATQ to find its new stable binding site far away from the wild-type binding pocket. The MM-PBSA calculations also shows that the binding affinity of ATQ with Cyt bc1 complex is enough to hold it at this new site that ultimately leads to the ATQ resistance.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Derrer2010,
  author    = {Derrer, Bianca},
  title     = {Charakterisierung der Vitamin B6 Synthese und des Shikimatsyntheseweges im Malariaerreger Plasmodium ssp.},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-51456},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Malaria ist eine schwerwiegende Krankheit, die j{\"a}hrlich {\"u}ber eine Million Menschen t{\"o}tet. Die zunehmende Resistenzbildung gegen{\"u}ber den verwendeten Medikamenten macht die Entwicklung neuer Antimalariamittel dringend notwendig. Daher sind die Vitamin B6 Synthese und der Shikimatweg von besonderem Interesse, da diese beiden Synthesewege nur im Parasiten und nicht im Menschen vorkommen. Unter der Voraussetzung, dass diese essentiell f{\"u}r den Parasiten sind, b{\"o}ten sie ideale Ansatzpunkte zur Entwicklung neuer Antimalariamittel. Voraus gegangene Studien haben gezeigt, dass Plasmodium falciparum in der Lage ist, PLP de novo mittels eines bifunktionalen Enzymkomplex, bestehend aus den Proteinen Pdx1 und Pdx2, zu synthetisieren. Pdx1 stellt dabei die eigentliche Synthase dar, w{\"a}hrend Pdx2 als Glutaminase-Partner das ben{\"o}tigte Ammoniumion f{\"u}r den heterocyclen Ring bereitstellt. Zus{\"a}tzlich dazu verf{\"u}gt der Parasit auch {\"u}ber einen salvage pathway um PLP zu „recyclen", in dem der Pyridoxalkinase PdxK eine Schl{\"u}sselfunktion zuf{\"a}llt. Knockout Studien der pdx1 im Mausmalariasystem P. berghei haben gezeigt, dass PbPdx1 f{\"u}r eine optimale Entwicklung der Blutstadien ben{\"o}tigt wird, nicht jedoch f{\"u}r deren {\"U}berleben. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich die Effekte eines pbpdxK(-) Knockouts in demselben System untersucht. Es konnte eine monoklonale Knockoutlinie generiert werden, was zeigte, dass PbPdxK nicht essentiell f{\"u}r das {\"U}berleben des Parasiten in den Blutstadien ist. Die Entwicklung w{\"a}hrend des Blutstadiums war von dem pbpdxK(-) Knockout nicht betroffen. Allerdings zeigte sich im Moskitostadium eine drastische Reduktion der Sporozoitenzahl sowohl in den Mitteld{\"a}rmen als auch in den Speicheldr{\"u}sen. Dieses Ergebnis legt nahe, dass PbPdxK essentiell f{\"u}r das {\"U}berleben der Sporozoiten ist. Daneben wurde versucht, die Gene pfpdx1, pfpdx2 sowie pfpdxK in P. falciparum 3D7 durch Verwendung der single cross over Strategie auszuschalten. Es konnte jedoch f{\"u}r keines der genannten Konstrukte eine Integration in die jeweiligen Genloci anhand von PCR-Analysen nachgewiesen werden. Ebenso scheiterte der Versuch, durch Rekombination eines komplement{\"a}ren Genabschnitts die Funktion des Gens zu rekonstituieren. Daher bleibt es unklar, ob pfpdx1, pfpdx2 und pfpdxK durch Knockout Strategien auszuschalten sind oder nur f{\"u}r Genmanipulationen nicht zug{\"a}nglich sind. Die Kultivierung von P. falciparum 3D7 Parasiten in Vitamin B6 depletiertem Medium hatte keinen Effekt auf deren Wachstum. Eine anschließende Analyse der Proteinextrakte zeigte eine erh{\"o}hte Expression der PfPdxK, w{\"a}hrend sich das Expressionslevel der PfPdx1 nicht ver{\"a}nderte. Es scheint, dass der Parasit in der Lage ist Vitamin B6 Mangel durch vermehrte Nutzung des salvage pathways vollst{\"a}ndig zu kompensieren. Fr{\"u}here Arbeiten zeigten, dass der C-Terminus der Pdx1 in die Aktivit{\"a}t des PLP Synthasekomplexes involviert ist. Aus diesem Grund wurden verschiedene C-terminale Deletionsmutanten der PfPdx1 konstruiert und dabei bis zu 30 Aminos{\"a}uren entfernt. Diese Analysen ergaben, dass der C-Terminus vier verschiedene Funktionen besitzt: das Assembly der Pdx1 Untereinheiten zum Dodekamer, die Bindung des Pentosesubstrats Ribose 5-Phosphat, die Bildung des Intermediats I320 und schließlich die PLP Synthese. Diese unterschiedlichen Funktionen wurden durch verschiedene Deletionsvarianten identifiziert. Dar{\"u}ber hinaus waren alle Deletionsvarianten in der Lage, die Glutaminase Pdx2 zu aktivieren, was zeigt, dass das Dodekamer nicht Vorraussetzung f{\"u}r die Glutaminaseaktivit{\"a}t ist. Aufgrund der geringen PLP Syntheseaktivit{\"a}t in vitro wurde vermutet, dass der PfPdx1/PfPdx2 Komplex durch einen zus{\"a}tzlichen Faktor aktiviert wird. Daher wurde versucht, mittels Yeast 2-Hybrid, basierend auf einer PCR-amplifizierten P. falciparum 3D7 cDNA-Bibliothek als bait und PfPdx1 als prey, einen Interaktionspartner zu identifizieren. Mehrere Klone wurden gewonnen, die alle einen Bereich des Mal13P1.540, einem putativen Hsp70 Proteins, enthielten. Jedoch scheiterten alle Versuche, die Protein-Protein-Interaktion mit rekombinant exprimierten Protein zu best{\"a}tigen. Ebenso war es nicht m{\"o}glich, das vollst{\"a}ndige Mal13P1.540 rekombinant zu exprimieren sowie dessen Lokalisation in vivo zu bestimmen. Daher bleibt die Interaktion von PfPdx1 und Mal13P1.540 ungekl{\"a}rt. Neben der Vitamin B6 Biosynthese konnten auch einige Gene des Shikimatweges in Plasmodium identifiziert werden. In P. berghei konnten der C-terminale Teil der 3-Dehydroquinatsynthase (2) sowie die Shikimatkinase (5) und die 5-Enoylpyruvylshikimat 3-Phosphatsynthase (6) in einem open reading frame (ORF) identifiziert werden, der dieselbe genetische Organisation aufweisen wie der Arom-Komplex der Hefen. Mit Hilfe eines Komplementationsassay wurde die Funktionalit{\"a}t dieses ORFs {\"u}berpr{\"u}ft. Dazu wurden S. cerevisiae BY4741Δaro1, ein Hefestamm ohne funktionalen Arom-Komplex, mit dem Pb2_6_5_ABC Fragment transformiert. Die so transformierten Hefen waren nicht in der Lage, auf Mangelplatten ohne aromatische Aminos{\"a}uren zu wachsen, was zeigte, dass das Pb2_6_5_ABC Konstrukt den BY4741Δaro1 Ph{\"a}notyp nicht komplementieren konnte. Der Versuch, mit Hilfe des Baculovirussytems rekombiant exprimiertes Protein zu erhalten, verlief erfolglos. Ebenso war es nicht m{\"o}glich, Teile des Proteins f{\"u}r Immunisierungen zu exprimieren. Daher bleibt die Funktionalit{\"a}t des Pb2_6_5_ABC Konstruktes ungekl{\"a}rt.},
  subject      = {Plasmodium falciparum},
  language  = {de}
}
@article{NgwaScheuermayerMairetal.2013,
  author    = {Ngwa, Che Julius and Scheuermayer, Matthias and Mair, Gunnar Rudolf and Kern, Selina and Br{\"u}gl, Thomas and Wirth, Christine Clara and Aminake, Makoah Nigel and Wiesner, Jochen and Fischer, Rainer and Vilcinskas, Andreas and Pradel, Gabriele},
  title     = {Changes in the transcriptome of the malaria parasite Plasmodium falciparum during the initial phase of transmission from the human to the mosquito},
  series = {BMC Genomics},
  volume    = {14},
  journal   = {BMC Genomics},
  number    = {256},
  issn      = {1471-2164},
  doi       = {10.1186/1471-2164-14-256},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-121905},
  year      = {2013},
  abstract  = {Background: The transmission of the malaria parasite Plasmodium falciparum from the human to the mosquito is mediated by dormant sexual precursor cells, the gametocytes, which become activated in the mosquito midgut. Because gametocytes are the only parasite stages able to establish an infection in the mosquito, they play a crucial role in spreading the tropical disease. The human-to-mosquito transmission triggers important molecular changes in the gametocytes, which initiate gametogenesis and prepare the parasite for life-cycle progression in the insect vector. Results: To better understand gene regulations during the initial phase of malaria parasite transmission, we focused on the transcriptome changes that occur within the first half hour of parasite development in the mosquito. Comparison of mRNA levels of P. falciparum gametocytes before and 30 min following activation using suppression subtractive hybridization (SSH) identified 126 genes, which changed in expression during gametogenesis. Among these, 17.5\% had putative functions in signaling, 14.3\% were assigned to cell cycle and gene expression, 8.7\% were linked to the cytoskeleton or inner membrane complex, 7.9\% were involved in proteostasis and 6.4\% in metabolism, 12.7\% were cell surface-associated proteins, 11.9\% were assigned to other functions, and 20.6\% represented genes of unknown function. For 40\% of the identified genes there has as yet not been any protein evidence. For a subset of 27 genes, transcript changes during gametogenesis were studied in detail by real-time RT-PCR. Of these, 22 genes were expressed in gametocytes, and for 15 genes transcript expression in gametocytes was increased compared to asexual blood stage parasites. Transcript levels of seven genes were particularly high in activated gametocytes, pointing at functions downstream of gametocyte transmission to the mosquito. For selected genes, a regulated expression during gametogenesis was confirmed on the protein level, using quantitative confocal microscopy. Conclusions: The obtained transcriptome data demonstrate the regulations of gene expression immediately following malaria parasite transmission to the mosquito. Our findings support the identification of proteins important for sexual reproduction and further development of the mosquito midgut stages and provide insights into the genetic basis of the rapid adaption of Plasmodium to the insect vector.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Bertram2005,
  author    = {Bertram, Helge},
  title     = {Bioinformatische Identifikation von Dom{\"a}nenunterschieden bei Parasit und Wirt am Beispiel der Malaria},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-17188},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Diese Arbeit untersucht zellul{\"a}re Netzwerke mit dem Ziel, die so gewonnenen Einsichten medizinisch beziehungsweise biotechnologisch zu nutzen. Hierzu m{\"u}ssen zun{\"a}chst Proteindom{\"a}nen und wichtige regulatorische RNA Elemente erkannt werden. Dies geschieht f{\"u}r regulatorische Elemente in Nukleins{\"a}uren am Beispiel von Iron Responsive Elements (IREs) in Staphylococcus aureus, wobei sich solche Elemente in viel versprechender N{\"a}he zu exprimierten Sequenzen finden lassen (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Noch bedeutsamer als Ziele zur Medikamentenentwicklung gegen Parasiten sind Dom{\"a}nenunterschiede in Struktur und Sequenz bei Proteinen (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Ihre Identifikation wird am Beispiel eines potentiellen Transportproteins in Plasmodium falciparum exemplarisch dargestellt. Anschließend wird das Zusammenwirken von regulatorischen Elementen und Dom{\"a}nen in Netzwerken betrachtet (einschließlich experimenteller Daten). Dies kann einerseits zu allgemeineren Schlussfolgerungen {\"u}ber das Netzwerkverhalten f{\"u}hren, andererseits f{\"u}r konkrete Anwendungen genutzt werden. Als Beispiel w{\"a}hlten wir hier Redoxnetzwerke und die Bek{\"a}mpfung von Plasmodien als Verursacher der Malaria. Da das gesamte Redoxnetzwerk einer lebenden Zelle mit Methoden der pH Wert Messung nur unzureichend zu erfassen ist, werden als alternative Messmethode f{\"u}r dieses Netzwerk Mikrokristalle der Glutathionreduktase als Indikatorsystem nach digitaler Verst{\"a}rkung experimentell genutzt (H. Bertram, M. A. Keese, C. Boulin, R. H. Schirmer, R. Pepperkok, T. Dandekar (2002) Chemical Nanotechnology Talks III - Nano for Life Sciences). Um komplexe Redoxnetzwerke auch bioinformatisch zu modulieren, werden Verfahren der metabolischen Fluxanalyse vorgestellt und verbessert, um insbesondere ihrer Verzahnung besser gerecht zu werden und solche Netzwerke mit m{\"o}glichst wenig elementaren Flussmoden zutreffend beschreiben zu k{\"o}nnen. Die Reduktion der Anzahl von Elementarmoden bei sehr großen metabolischen Netzwerken einer Zelle gelingt hier mit Hilfe unterschiedlicher Methoden und f{\"u}hrt zu einer vereinfachten Darstellungsm{\"o}glichkeit komplexer Stoffwechselwege von Metaboliten. Dabei dient bei jeder dieser Methoden die biochemisch sinnvolle Definition von externen Metaboliten als Grundlage (T. Dandekar, F. Moldenhauer, S. Bulik, H. Bertram, S. Schuster (2003) Biosystems 70(3): 255-70). Allgemeiner werden Verfahren der Proteindom{\"a}nenklassifikation sowie neue Strategien gegen mikrobielle Erreger betrachtet. In Bezug auf automatisierte Einteilung von Proteinen in Dom{\"a}nen wird ein neues System von Taylor (2002b) mit bekannten Systemen verglichen, die in unterschiedlichem Umfang menschlichen Eingriffs bed{\"u}rfen (H. Bertram, T. Dandekar (2002) Chemtracts 15: 735-9). Außerdem wurde neben einer Arbeit {\"u}ber die verschiedenen Methoden aus den Daten eines Genoms Informationen {\"u}ber das metabolische Netzwerk der Zelle zu erlangen (H. Bertram, T. Dandekar (2004) it 46(1): 5-11) auch eine {\"U}bersicht {\"u}ber die Schwerpunkte der Bioinformatik in W{\"u}rzburg zusammengestellt (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum 1-2: 26-7). Schließlich wird beschrieben, wie die Pathogenomik und Virulenz von Bakterien der bioinformatischen Analyse zug{\"a}nglich gemacht werden k{\"o}nnen (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum Eur. 3: 157-9). Im letzten Teil wird die metabolische Fluxanalyse zur Identifikation neuer Strategien zur Bek{\"a}mpfung von Plasmodien dargestellt: Beim Vergleich der Stoffwechselwege mit Glutathion und Thioredoxin in Plasmodium falciparum, Anopheles und Mensch geht es darum, gezielte St{\"o}rungen im Stoffwechsel des Malariaerregers auszul{\"o}sen und dabei den Wirt zu schonen. Es ergeben sich einige interessante Ansatzpunkte, deren medizinische Nutzung experimentell angestrebt werden kann.},
  subject      = {Plasmodium falciparum},
  language  = {de}
}
@article{ZirkelCecilSchaeferetal.2012,
  author    = {Zirkel, J. and Cecil, A. and Sch{\"a}fer, F. and Rahlfs, S. and Ouedraogo, A. and Xiao, K. and Sawadogo, S. and Coulibaly, B. and Becker, K. and Dandekar, T.},
  title     = {Analyzing Thiol-Dependent Redox Networks in the Presence of Methylene Blue and Other Antimalarial Agents with RT-PCR-Supported in silico Modeling},
  series = {Bioinformatics and Biology Insights},
  volume    = {6},
  journal   = {Bioinformatics and Biology Insights},
  doi       = {10.4137/BBI.S10193},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-123751},
  pages     = {287-302},
  year      = {2012},
  abstract  = {BACKGROUND: In the face of growing resistance in malaria parasites to drugs, pharmacological combination therapies are important. There is accumulating evidence that methylene blue (MB) is an effective drug against malaria. Here we explore the biological effects of both MB alone and in combination therapy using modeling and experimental data. RESULTS: We built a model of the central metabolic pathways in P. falciparum. Metabolic flux modes and their changes under MB were calculated by integrating experimental data (RT-PCR data on mRNAs for redox enzymes) as constraints and results from the YANA software package for metabolic pathway calculations. Several different lines of MB attack on Plasmodium redox defense were identified by analysis of the network effects. Next, chloroquine resistance based on pfmdr/and pfcrt transporters, as well as pyrimethamine/sulfadoxine resistance (by mutations in DHF/DHPS), were modeled in silico. Further modeling shows that MB has a favorable synergism on antimalarial network effects with these commonly used antimalarial drugs. CONCLUSIONS: Theoretical and experimental results support that methylene blue should, because of its resistance-breaking potential, be further tested as a key component in drug combination therapy efforts in holoendemic areas.},
  language  = {en}
}