TY  - THES
A1  - Herz, Michaela
T1  - Genome wide expression profiling of Echinococcus multilocularis
T1  - Genomweite Expressionsanalysen von Echinococcus multilocularis
N2  - Alveolar echinococcosis, which is caused by the metacestode stage of the small fox tapeworm Echinococcus multilocularis, is a severe zoonotic disease with limited treatment options. For a better understanding of cestode biology the genome of E. multilocularis, together with other cestode genomes, was sequenced previously. While a few studies were undertaken to explore the E. multilocularis transcriptome, a comprehensive exploration of global transcription profiles throughout life cycle stages is lacking. This work represents the so far most comprehensive analysis of the E. multilocularis transcriptome. Using RNA-Seq information from different life cycle stages and experimental conditions in three biological replicates, transcriptional differences were qualitatively and quantitatively explored. The analyzed datasets are based on samples of metacestodes cultivated under aerobic and anaerobic conditions as well as metacestodes obtained directly from infected jirds. Other samples are stem cell cultures at three different time points of development as well as non-activated and activated protoscoleces, the larval stage that can develop into adult worms. In addition, two datasets of metacestodes under experimental conditions suitable for the detection of genes that are expressed in stem cells, the so-called germinative cells, and one dataset from a siRNA experiment were analyzed. Analysis of these datasets led to expression profiles for all annotated genes, including genes that are expressed in the tegument of metacestodes and play a role in host-parasite interactions and modulation of the host's immune response. Gene expression profiles provide also further information about genes that might be responsible for the infiltrative growth of the parasite in the liver.

Furthermore, germinative cell-specific genes were identified. Germinative cells are the only proliferating cells in E. multilocularis and therefore of utmost importance for the development and growth of the parasite. Using a combination of germinative cell depletion and enrichment methods, genes with specific expression in germinative cells were identified. As expected, many of these genes are involved in translation, cell cycle regulation or DNA replication and repair. Also identified were transcription factors, many of which are involved in cell fate commitment. As an example, the gene encoding the telomerase reverse transcriptase (TERT) was studied further. Expression of E. multilocularis tert in germinative cells was confirmed experimentally. Cell culture experiments indicate that TERT is required for proliferation and development of the parasite, which makes TERT a potentially interesting drug target for chemotherapy of alveolar echinococcosis.

Germinative cell specific genes in E. multilocularis also include genes of densoviral origin. More than 20 individual densovirus loci with information for non-structural and structural densovirus proteins were identified in the E. multilocularis genome. Densoviral elements were also detected in many other cestode genomes. Genomic integration of these elements suggests that densovirus-based vectors might be suitable tools for genetic manipulation of tapeworms. Interestingly, only three of more than 20 densovirus loci in the E. multilocularis genome are expressed. Since the canonical piRNA pathway is lacking in cestodes, this raises the question about potential silencing mechanisms. Exploration of RNA-Seq information indicated natural antisense transcripts as a potential gene regulation mechanism in E. multilocularis. Preliminary experiments further suggest DNA-methylation, which was previously shown to occur in platyhelminthes, as an interesting avenue to explore in future.

The transcriptome datasets also contain information about genes that are expressed in differentiated cells, for example the serotonin transporter gene that is expressed in nerve cells. Cell culture experiments indicate that serotonin and serotonin transport play an important role in E. multilocularis proliferation, development and survival.

Overall, this work provides a comprehensive transcription data atlas throughout the E. multilocularis life cycle. Identification of germinative cell-specific genes and genes important for host-parasite interactions will greatly facilitate future research. A global overview of gene expression profiles will also aide in the detection of suitable drug targets and the development of new chemotherapeutics against alveolar echinococcosis.
N2  - Alveoläre Echinokokkose wird durch das Metazestodenstadium des kleinen Fuchsbandwurms Echinococcus multilocularis verursacht und medizinisch als eine schwere Zoonose mit begrenzten Behandlungsmöglichkeiten betrachtet. Um ein besseres Verständnis für die Biologie der Zestoden zu erlangen, wurde das Genom von E. multilocularis, zusammen mit denen anderer Zestoden, bereits sequenziert. Bisher wurden nur wenige Studien zum Transkriptom von E. multilocularis durchgeführt und eine umfassende Analyse der Transkriptionsprofile über verschiedene Stadien des Lebenszyklus hinweg fehlt bislang. Diese Arbeit stellt die bisher umfassendste Untersuchung des Transkriptoms von E. multilocularis dar. Unterschiede in der Genexpression in verschiedenen Stadien des Lebenszyklus und unter experimentellen Bedingungen wurden qualitativ und quantitativ untersucht. Dazu wurden Daten aus RNA-Sequenzierungen in drei biologischen Replikaten verwendet. Die untersuchten Datensätze beruhen auf Proben von Metazestoden, die unter aeroben und anaeroben Bedingungen kultiviert, sowie von Metazestoden, die direkt aus Gerbilen isoliert wurden. Weitere Proben umfassen Stammzellkulturen zu drei verschiedenen Entwicklungszeitpunkten sowie nicht-aktivierte und aktivierte Protoskolizes, das Larvenstadium das sich zu Adulten entwickeln kann. Zusätzlich wurden zwei Datensätze von Metazestoden unter experimentellen Bedingungen, die zur Identifizierung stammzellspezifischer (keimzellspezifischer) Gene geeignet sind, sowie ein Datensatz von einem siRNA-Experiment untersucht. Die Analyse dieser Datensätze führte zu Genexpressionsprofilen für alle annotierten Gene, unter anderem für Gene, die im Tegument des Metazestoden exprimiert werden und eine Rolle spielen bei Wirt-Parasit-Interaktionen und der Modulierung der Immunantwort des Wirts. Genexpressionsprofile liefern zudem Informationen über Gene, die für das infiltrative Wachstum des Parasiten in der Leber verantwortlich sein könnten.

Des Weiteren wurden keimzellspezifische Gene identifiziert. Keimzellen sind die einzigen proliferierenden Zellen in E. multilocularis und daher von essentieller Bedeutung für die Entwicklung und das Wachstum des Parasiten. Durch eine Kombination von Keimzelldepletierungs- und Keimzellanreicherungsverfahren wurden Gene mit keimzellspezifischer Expression identifiziert. Wie erwartet, sind viele dieser Gene in der Translation, der Zellzyklusregulation oder DNA-Replikation und –Reparatur involviert. Darüber hinaus wurden keimzellspezifisch exprimierte Transkriptionsfaktoren detektiert, von denen viele in der Festlegung des Zellschicksals eine Rolle spielen. Als Beispiel eines keimzellspezifischen Genes wurde das Gen, das für die reverse Transkriptase (TERT) kodiert, genauer untersucht. Die Expression von E. multilocularis tert in Keimzellen wurde experimentell bestätigt. Zellkulturexperimente weisen darauf hin, dass TERT für die Proliferation und die Entwicklung essentiell ist. TERT ist daher ein potentiell interessantes Wirkstofftarget für die chemotherapeutische Behandlung der alveolären Echinokokkose.

Zu den keimzellspezifischen Genen in E. multilocularis gehören auch Gene densoviralen Ursprungs. Es wurden mehr als 20 Densovirusloci mit Informationen für nicht-strukturelle und strukturelle Densovirusproteine im E. multilocularis-Genom identifiziert. Densovirale Elemente wurden auch in vielen anderen Zestodengenomen detektiert. Die genomische Integration dieser Elemente deutet darauf hin, dass densovirus-basierte Vektoren zur genetischen Manipulation von Zestoden geeignet sein könnten. Interessanterweise sind nur drei von mehr als 20 Densovirusloci im E. multilocularis-Genom exprimiert. Da es in Zestoden keinen kanonischen piRNA-Signalweg gibt, stellt sich die Frage nach möglichen Genabschaltungsmechanismen. Die Analyse der RNA-Sequenzierdaten ergab Hinweise auf natürliche Antisense-Transkripte als einen möglichen Genregulationsmechanismus in E. multilocularis. Vorläufige Experimente und bisherige Studien deuten weiterhin darauf hin, dass DNA-Methylierung ein Mechanismus der Genregulation und -abschaltung in Zestoden sein könnte.

Die Transkriptionsdaten enthalten auch Informationen zu Genen, die in differenzierten Zellen exprimiert werden, wie zum Beispiel das Serotonintransportergen, das in Nervenzellen exprimiert wird. Zellkulturversuche weisen darauf hin, dass Serotonin und Serotonintransport eine wichtige Rolle bei der Proliferation, der Entwicklung und dem überleben von E. multilocularis spielen.

Insgesamt bietet diese Arbeit einen umfassenden Transkriptionsdatenatlas über die Stadien des Lebenszyklus von E. multilocularis. Die Identifizierung von keimzellspezifischen Genen und Genen, die für die Interaktion zwischen Wirt und Parasit wichtig sind, wird die zukünftige Forschung erheblich erleichtern. Ein globaler Überblick über die Genexpressionsprofile wird zudem hilfreich sein bei der Entdeckung geeigneter Wirkstofftargets und bei der Entwicklung neuer Chemotherapeutika gegen die alveoläre Echinokokkose.
KW  - Fuchsbandwurm
KW  - Serotonin
KW  - Telomerase
KW  - Stammzelle
KW  - Transkriptomanalyse
KW  - foxtapeworm
KW  - transcriptome data analysis
KW  - germinative cell
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203802
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TY  - THES
A1  - Herz, Michaela
T1  - Molecular characterization of the serotonin and cAMP-signalling pathways in Echinococcus
T1  - Molekulare Charakterisierung der Serotonin- und cAMP-Signalwege in Echinococcus
N2  - Alveolar and cystic echinococcosis, caused by Echinococcus multilocularis and Echinococcus
granulosus respectively, are severe zoonotic diseases with limited treatment
options. The sole curative treatment is the surgical removal of the complete parasite
material. Due to late diagnosis, chemotherapeutic treatment often is the only treatment
option. Treatment is based on benzimidazoles, which merely act parasitostatic
and often display strong side effects. Therefore, new therapeutic drugs are urgently
needed.
Evolutionarily conserved signalling pathways are known to be involved in hostparasite
cross-communication, parasite development and survival. Moreover, they
represent potential targets for chemotherapeutic drugs. In this context the roles of
the serotonin- and cAMP-signalling pathways in Echinococcus were studied.
Genes encoding serotonin receptors, a serotonin transporter and enzymes involved in
serotonin biosynthesis could be identified in the E. multilocularis and E. granulosus
genomes indicating that these parasites are capable of synthesizing and perceiving
serotonin signals. Also the influence of exogenous serotonin on parasite development
was studied. Serotonin significantly increased metacestode vesicle formation
from primary cells and re-differentiation of protoscoleces. Inhibition of serotonin
transport with citalopram significantly reduced metacestode vesicle formation from
primary cells and caused death of protoscoleces and metacestodes. Furthermore, it
could be shown that serotonin increased phosphorylation of protein kinase A substrates.
Taken together, these results show that serotonin and serotonin transport
are essential for Echinococcus development and survival. Consequently, components
of the serotonin pathway represent potential drug targets.
In this work the cAMP-signalling pathway was researched with focus on G-protein
coupled receptors and adenylate cyclases. 76 G-protein coupled receptors, including
members of all major families were identified in the E. multilocularis genome.
Four genes homologous to adenylate cyclase IX were identified in the E. multilocularis
genome and three in the E. granulosus genome. While glucagon caused
no significant effects, the adenylate cyclase activator forskolin and the adenylate
cyclase inhibitor 2’, 5’ didesoxyadenosine influenced metacestode vesicle formation
from primary cells, re-differentiation of protoscoleces and survival of metacestodes.
It was further shown that forskolin increases phosphorylation of protein kinase A
substrates, indicating that forskolin activates the cAMP-pathway also in cestodes.
These results indicate that the cAMP signalling pathway plays an important role in
Echinococcus development and survival.
To complement this work, the influence of different media and additives on E. granulosus protoscoleces was investigated. Anaerobic conditions and the presence of FBS
prolonged protoscolex survival while different media influenced protoscolex activation
and development.
Taken together, this work provided important insights into developmental processes
in Echinococcus and potential drug targets for echinococcosis chemotherapy.
N2  - Alveoläre und zystische Echinokokkose, hervorgerufen durch Echinococcus multilocularis
und Echinococcus granulosus, sind schwere zoonotische Erkrankungen mit
eingeschränkten Behandlungsmöglichkeiten. Die einzig kurative Therapie besteht in
der chirurgischen Entfernung des gesammten Parasitenmaterials. Aufgrund später
Diagnosestellung stellt Chemotherapie oft die einzige Behandlungsmöglichkeit dar.
Die derzeitige Therapie basiert auf Benzimidazolen, welche nur parasitostatisch
wirken und oft schwere Nebenwirkungen hervorrufen. Neue Medikamente werden
daher dringend benötigt.
Evolutionär konservierte Signalwege sind bekanntermaßen an Wirt-Parasit Kreuzkommunikation,
Parasitenentwicklung und deren Überleben beteiligt. Darüber hinaus
stellen sie auch mögliche Angriffspunkte für Chemotherapeutika dar. In diesem
Zusammenhang wurden die Rollen des Serotonin- und des cAMP-Signalwegs in
Echinococcus untersucht.
Gene für Serotoninrezeptoren, einen Serotonintransporter und für Enzyme, die in
der Serotoninsynthese involviert sind, konnten in den E. multilocularis und E. granulosus
Genomen identifiziert werden, was darauf schließen lässt, dass diese Parasiten
in der Lage sind, Serotonin selbst herzustellen und zu sensieren. Des Weiteren
wurde der Einfluss von exogenem Serotonin auf die Parasitenentwicklung untersucht.
Serotonin förderte die Bildung von Metazestodenvesikeln aus Primärzellen und die
Rückdifferenzierung von Protoskolizes signifikant. Die Hemmung des Serotonintransports
mit Citalopram reduzierte die Bildung von Metazestodenvesikeln aus
Primärzellen signifikant und führte zum Absterben von Protoskolizes undMetazestoden.
Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass Serotonin die Posphorylierung von
Proteinkinase A Substraten erhöht. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass
Serotonin und Serotonintransport essentiell f¨ur die Entwicklung und das Überleben
von Echinococcus sind. Folglich stellen Komponenten des Serotoninsignalwegs potentielle
Angriffspunkte für Medikamente dar.
In dieser Arbeit wurde der cAMP-Signalweg mit Schwerpunkt auf G-Protein gekoppelte
Rezeptoren und Adenylatzyklasen untersucht. 76 G-Protein gekoppelte Rezeptoren, inclusive Mitglieder aller Hauptfamilien, wurden im E. multilocularis-Genom
identifiziert. Vier Homologe zur Adenylatzyklase IX wurden im E. multilocularis-
Genom und drei im E. granulosus-Genom identifiziert. Während Glukagon keine signifikanten
Effekte hervorrief, beeinflussten der Adenylatzyklase-Aktivator Forskolin
und der Adenylatzyklase-Inhibitor 2’, 5’-Didesoxyadenosin die Bildung von Metazestodenvesikeln
aus Primärzellen, die Rückdifferenzierung von Protoskolizes und
das Überleben vonMetazestoden. Zudem wurde gezeigt, dass Forskolin die Phosphorylierung
von Proteinkinase A-Substraten erhöht. Dies bestätigt, dass Forskolin den
cAMP-Signalweg aktiviert. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der cAMP-Signalweg
eine wichtige Rolle in der Entwicklung und dem Überleben von Echinococcus spielt.
Um diese Arbeit zu vervollständigen, wurde der Einfluss von verschiedenen Medien
und Zusätzen auf E. granulosus Protoskolizes untersucht. Anaerobe Bedingungen
und die Anwesenheit von FBS verlängerten das Überleben von Protoskolizes,
während verschiedene Medien die Aktivierung und die Entwicklung von Protoskolizes
beeinflussten.
Insgesamt gibt diese Arbeit wichtige Einblicke in Entwicklungsprozesse von Echinococcus
und zeigt potentielle Angriffspunkte für Medikamente auf.
KW  - Serotonin
KW  - Cyclo-AMP
KW  - Fuchsbandwurm
KW  - cAMP
KW  - Echinococcus
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-139249
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TY  - THES
A1  - Nono, Justin
T1  - Immunomodulation through Excretory/Secretory Products of the parasitic Helminth Echinococcus multilocularis
T1  - Immunmodulation durch Exkretorisch/Sekretorischen Produkten der parasitären Helminthen Echinococcus multilocularis
N2  - Die Alveoläre Echinokokkose (AE) ist eine lebensbedrohliche Zoonose, die durch das Metazestoden-Larvenstadium des Fuchsbandwurms Echinococcus multilocularis ausgelöst wird. Nach Eintritt des Parasiten in den Zwischenwirt wird zunächst eine potentiell anti-parasitische, Th1-dominierte Immunantwort ausgelöst, welche anschließend in der chronischen Phase graduell durch eine permissive, Th2-dominierte Antwort ersetzt wird. Als Ergebnis einer zugrunde liegenden Immunmodulation durch den Parasiten können Echinococcus-Larven für Jahre bis Jahrzehnte im Wirt persistieren und verhalten sich ähnlich einem perfekt transplantierten Organ. Über die molekulare Basis der Immunmodulation durch den Parasiten ist derzeit wenig bekannt. In dieser Arbeit wurden geeignete Kultursysteme für verschiedene E. multilocularis Larvenstadien verwendet, um den Einfluss exkretorisch/sekretorischer Metaboliten (E/S-Produkte) auf Wirts-Immuneffektor-Zellen zu studieren. E/S-Produkte kultivierter Larven, die die frühe (Primärzellen) und chronische (Metazestode) Phase der Infektion repräsentieren induzierten Apoptose und tolerogene Eigenschaften in Dendritischen Zellen (DC) des Wirts, während solche von Kontroll-Larven (Protoskolizes) keine derartigen Effekte zeigten. Dies zeigt, dass die frühen infektiösen Stadien von E. multilocularis in DC ein tolerierendes Milieu erzeugen, welches sehr wahrscheinlich die initiale Etablierung des Parasiten in einer Phase begünstigt, in der er höchst sensitiv gegenüber Wirtsangriffen ist. Interessanterweise förderten E/S-Produkte des Metazestoden in vitro die Konversion von CD4+ T-Zellen in Foxp3+, regulatorische T-Zellen (Treg) während E/S-Produkte von Primärzellen oder Protoskolizes dies nicht vermochten. Da Foxp3+ Tregs generell als immunosuppressorisch bekannt sind, deuten diese Daten an, dass der Metazestode aktiv eine Induktion von Tregs herbeiführt, um eine permissive Immunsuppression während einer Infektion zu erreichen. Eine substantielle Zunahme von Anzahl und Frequenz Foxp3+ Tregs konnte zudem in Peritoneal-Exsudaten von Mäuuen nach intraperitonealer Injektion von Parasitengewebe gemessen werden, was anzeigt, dass eine Expansion von Foxp3+ Tregs auch während der in vivo Infektion von Bedeutung ist. Interessanterweise konnte in dieser Arbeit ein Activin-Orthologes des Parasiten, EmACT, identifiziert werden, weleches vom Metazestoden sekretiert wird und ähnlich wie humanes Activin in der Lage ist, eine TGF-β-abhängige Expansion von Tregs in vitro zu induzieren. Dies zeigt an, dass E. multilocularis evolutionsgeschichtlich konservierte Zytokine nutzt, um aktiv die Wirts-Immunantwort zu beeinflussen. Zusammenfassend deuten die gewonnenen Daten auf eine wichtige Rolle Foxp3+ Tregs, welche u.a. durch EmACT induziert werden, im immunologischen geschehen der AE hin. Ein weiterer Parasiten-Faktor, EmTIP, mit signifikanten Homologien zum T-cell Immunomodulatory Protein (TIP) des Menschen wurde in dieser Arbeit näher charakterisiert. EmTIP konnte in der E/S-Fraktion von Primärzellen nachgewiesen werden und induzierte die Freisetzung von IFN-γ in CD4+ T-Helferzellen. Durch Zugabe von anti-EmTIP-Antikörpern konnte zudem die Entwicklung des Parasiten zum Metazestoden in vitro gehemmt werden. EmTIP dürfte daher einerseits bei der frühen Parasiten-Entwicklung im Zwischenwirt eine Rolle spielen und könnte im Zuge dessen auch die Ausprägung der frühen, Th-1-dominierten Immunantwort während der AE begünstigen. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit zwei E. multilocularis E/S-Faktoren identifiziert, EmACT und EmTIP, die ein hohes immunmodulatorisches Potential besitzen. Die hier vorgestellten Daten liefern neue, fundamentale Einsichten in die molekularen Mechanismen der Parasiten-induzierten Immunmodulation bei der AE und sind hoch relevant für die Entwicklung anti-parasitischer Immuntherapien.
N2  - Alveolar echinococcosis (AE) is a severe and life-threatening disease caused by the metacestode larva of the fox-tapeworm Echinococcus multilocularis. Parasite entry into the host evokes an early and potentially parasiticidal Th1 immune response that is gradually replaced by a permissive Th2 response. An immunoregulatory environment has also been reported in the host as the disease progresses. As a result of immunomodulation, E. multilocularis larvae persist in the host for decades without being expelled, and thus almost act like a perfect transplant. Very little is currently known on the molecular basis of the host immunomodulation by E. multilocularis. In this work, in vitro cultivation systems were used to assess the influence of metabolites released by the parasite larvae (E/S products) on host immune effector cells. E/S products of cultivated larvae that respresent the early (primary cells) and chronic (metacestode vesicles) phase of AE induced apoptosis and tolerogenic properties (poor responsiveness to LPS stimulation) in host dendritic cells (DC) whereas those of control larvae (protoscoleces) failed to do so. These findings show that the early infective stage of E. multilocularis induces tolerogenicity in host DC, which is most probably important for generating an immunosuppressive environment at an infection phase in which the parasite is highly vulnerable to host attacks. Interestingly, metacestode E/S products promoted the conversion of naïve CD4+ T-cells into Foxp3+ regulatory T-cells in vitro, whereas primary cell and protoscolex E/S products failed to do it. Since Foxp3+ regulatory T-cells are generally known to mediate immunosuppression, the present finding indicates that Foxp3+ regulatory T-cells, expanded by E/S products of the metacestode larva, could play a role in the parasite-driven immunomodulation of the host observed during AE. Furthermore, a substantial increase in number and frequency of suppressive Foxp3+ regulatory T-cells could be observed within peritoneal exudates of mice following intraperitoneal injection of E. multilocularis metacestodes, indicating that Foxp3+ regulatory T-cells could also play an important role in E. multilocularis-driven immunomodulation in vivo. Interestingly, a parasite activin ortholog, EmACT, secreted by metacestodes, was shown to expand host regulatory T-cells in a TGF-β-dependent manner, similarly to mammalian activin A. This observation indicated that E. multilocularis utilizes evolutionarily conserved TGF-β superfamily ligands, like EmACT, to expand host regulatory T-cells. Taken together, the present findings suggest EmACT, a parasite activin secreted by the metacestode and capable of expanding host regulatory T-cells, as an important player in the host immunomodulation by E. multilocularis larvae. Another parasite factor EmTIP, homologous to mammalian T-cell immunomodulatory protein (TIP) was characterized in this work. EmTIP could be detected in the secretions of the parasite primary cells and localized to the intercellular space within the parasite larvae. EmTIP blockade inhibited the proliferation of E. multilocularis primary cells and the formation of metacestode vesicles indicating a major role for parasite development. Furthermore, EmTIP evoked a strong release of IFN-γ by CD4+ T-cells hence suggesting that the secretion of this factor as a result of its role in parasite development could “secondarily” induce a potentially protective Th1 response. In conclusion, this work identified two molecules, EmACT and EmTIP, with high immunomodulatory potential that are released by E. multilocularis larvae. The data presented do provide insights into the mechanisms of parasite-driven host immunomodulation during AE that are highly relevant for the development of anti-parasitic immune therapies.
KW  - Immunmodulation
KW  - Fuchsbandwurm
KW  - Regulatorischer T-Lymphozyt
KW  - Dendritische Zelle
KW  - Immunomodulation
KW  - Helminths
KW  - Tapeworm
KW  - Echinococcus
KW  - Regulatory T-cell
KW  - Dendritic cell
KW  - Würmer
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85449
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TY  - THES
A1  - Hemer, Sarah
T1  - Molecular characterization of evolutionarily conserved signaling systems of Echinococcus multilocularis and their utilization for the development of novel drugs against Echinococosis
T1  - Molekulare Charakterisierung evolutionsgeschichtlich konservierter Signalsysteme und deren Nutzung für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Echinococcose
N2  - Alveolar echinococcosis (AE), a severe and life-threatening disease is caused by the small fox tapeworm Echinococcus multilocularis. Currently, the options of chemotherapeutic treatment are very limited and are based on benzimidazole compounds, which act merely parasitostatic in vivo and often display strong side effects. Therefore, new therapeutic drugs and targets are urgently needed. In the present work the role of two evolutionarily conserved signalling pathways in E. multilocularis, namely the insulin signalling cascade and Abl kinases, has been studied in regard to host-parasite interaction and the possible use in anti-AE chemotherapy.
N2  - Die alveoläre Echinokokkose ist eine ernste und lebensgefährliche Erkrankung, die durch den kleinen Fuchsbandwurm ausgelo ̈st wird. Die gegenwärtigen chemotherapeutischen Behandlungsmöglichkeiten beschränken sich auf die Behandlung mit Benzimidazolen, die in vivo nur parasitostatische Wirkung besitzen und häufig sehr starke Nebenwirkungen aufweisen. Aus diesem Grund besteht ein dringendes Bedürfnis nach neuen Medikamenten und Angriffszielen für diese. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle zweier evolutionsgeschichtlich konservierter Signalsysteme, der Insulin Signalweg und die Abl Kinasen in E. multilocularis in Hinblick auf die Wirt-Parasiten Interaktion und dem mo ̈glichen Nutzen in der AE Chemotherapie untersucht.
KW  - Fuchsbandwurm
KW  - Insulin
KW  - Chemotherapie
KW  - Echinococcus
KW  - Insulin
KW  - Chemotherapie
KW  - Imatinib
KW  - Abl
KW  - Echinococcus
KW  - Insulin
KW  - Chemotherapy
KW  - Abl
KW  - Imatinib
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74007
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TY  - THES
A1  - Gelmedin, Verena Magdalena
T1  - Targeting flatworm signaling cascades for the development of novel anthelminthic drugs
T1  - Signalkaskaden von Plattwürmern als Angriffspunkte zur Entwicklung neuer Antihelminthika
N2  - Echinococcus multilocularis verursacht die Alveoläre Echinokokkose (AE), eine lebendsbedrohliche Krankheit mit limitierten chemotherapeutischen Möglichkeiten. Die jetzige Anti-AE Chemotherapie basiert auf einer einzigen Wirkstoffklasse, den Benzimidazolen. Obwohl Benzimidazole in vitro parasitozid wirken, wirken sie in vivo bei AE-Behandlung lediglich parasitostatisch und rufen schwere Nebenwirkungen hervor. In Fällen operabler Läsionen erfordert die Resektion des Parasitengewebes über einen längeren Zeitraum eine chemotherapeutische Unterstützung. Damit sind die jetzigen Behandlungsmöglichkeiten inadäquat und benötigen Alternativen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Signalwege von Plattwürmern analysiert, um potentielle Targets für neue therapeutische Ansätze zu identifizieren. Dabei konzentrierte ich mich unter Anwendung von molekularbiologischer, biochemischer und zellbiologischer Methoden auf Faktoren, die an Entwicklung und Proliferation von E. multilocularis beteiligt sind. Darunter waren die drei MAP kinases des Parasiten EmMPK1, ein Erk1/2-Ortholog, EmMPK2, ein p38-Ortholog und EmMPK3, ein Erk7/8-Ortholog. Des Weiteren identifizierte und charakterisierte ich EmMKK2, ein MEK1/2-Ortholog des Parasiten, welches zusammen mit den bekannten Kinasen EmRaf und EmMPK1 ein Erk1/2-ähnliches MAPK Modul bildet. Ich konnte zudem verschiedene Einflüsse von Wirtswachstumsfaktoren wie EGF (epidermal growth factor) und Insulin auf die Signalmechanismen des Parasiten und das Larvenwachstum zeigen, darunter die Phosphorylierung von Elp, ein Ezrin-Radixin-Moesin ähnliches Protein, die Aktivierung von EmMPK1 und EmMPK3 und eine gesteigerte mitotische Aktivität der Echinokokkenzellen. Zusätzlich wurden verschiedene Substanzen auf ihre letale Wirkung auf den Parasiten untersucht, darunter befanden sich (1.) generelle Inhibitoren von Tyrosinkinasen (PP2, Leflunamid), (2.) gegen die Aktivität von Rezeptor-Tyrosin-Kinasen gerichtete Präparate, (3.) ursprünglich anti-neoplastische Wirkstoffe wie Miltefosin und Perifosin, (4.) Inhibitoren von Serin/ Threonin-Kinasen, die die Erk1/2 MAPK Kaskade blockieren und (5.) Inhibitoren der p38 MAPK. In diesen Untersuchungen hat sich EmMPK2 aus den folgenden Gründen als vielversprechendes Target erwiesen. Aminosäuresequenz-Analysen offenbarten einige Unterschiede zu menschlichen p38 MAP Kinasen, welche sehr wahrscheinlich die beobachtete gesteigerte basale Aktivität des rekombinanten EmMPK2 verursachen, verglichen mit der Aktivität humaner p38 MAPK-α. Zusätzlich suggerieren die prominente Autophosphorylierungsaktivität von rekombinantem EmMPK2 und das Ausbleiben einer Interaktion mit den Echinococcus MKKs einen unterschiedlichen Regulierungsmechanismus im Vergleich zu den humanen Proteinen. Die Aktivität von EmMPK2 konnte sowohl in vitro als auch in kultivierten Metazestodenvesikeln durch die Behandlung mit SB202190 und ML3403, zwei ATP kompetitiven Pyridinylimidazolinhibitoren der p38 MAPK, in Konzentrations-abhängiger Weise inhibiert werden. Zudem verursachten beide Substanzen, insbesondere ML3403 die Inaktivierung von Parasitenvesikeln bei Konzentrationen, die kultivierte Säugerzellen nicht beeinträchtigten. Ebenso verhinderte die Anwesenheit von ML3403 die Generation von neuen Vesikeln während der Kultivierung von Echinococcus Primärzellen. Das Targeting von Mitgliedern des EGF-Signalwegs, insbesondere der Erk1/2-ähnlichen MAPK Kaskade mit Raf- und MEK- Inhibitoren verhinderte die Phosphorylierung von EmMPK1 in in vitro kultivierten Metazestoden. Obwohl das Parasitenwachstum unter diesen Konditionen verhindert wurde, blieb die strukturelle Integrität der Metazestodenvesikeln während der Langzeitkultivierung in Anwesenheit der MAPK Kaskade-Inhibitoren erhalten. Ähnliche Effekte wurden beobachtet nach Behandlung mit den anderen zuvor aufgeführten Inhibitoren. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass verschiedene Targets identifiziert werden konnten, die hoch sensibel auf die Anwesenheit der inhibitorischen Substanzen reagierten, aber nicht zum Absterben des Parasiten führten, mit Ausnahme der Pyridinylimidazolen. Die vorliegenden Daten zeigen, dass EmMPK2 ein Überlebendsignal vermittelnden Faktor darstellt und dessen Inhibierung zur Behandlung der AE benutzt werden könnte. Dabei erwiesen sich p38 MAPK Inhibitoren der Pyridinylimidazolklasse als potentielle neue Substanzklasse gegen Echinokokken.
N2  - Echinococcus multilocularis is the causative agent of alveolar echinococcosis (AE), a life-threatening disease with limited options of chemotherapeutic treatment. Anti-AE chemotherapy is currently based on a single class of drugs, the benzimidazoles. Although acting parasitocidic in vitro, benzimidazoles are merely parasitostatic during in vivo treatment of AE and cause severe site effects. In the case of operable lesions, the resection of parasite tissue needs to be supported by a prolonged chemotherapy. Thus, the current treatment options for AE are inadequate and require alternatives. In the present work, the flatworm signaling pathways were analyzed to establish potential targets for novel therapeutic approaches. I focused on factors that are involved in development and proliferation of E. multilocularis using molecular, biochemical and cell biological methods. Among the analysed factors were three MAP kinases of the parasite, EmMPK1, an Erk-1/2 orthologue, EmMPK2, a p38 orthologue and EmMPK3, an Erk7/8 orthologue. Further, I identified and characterized EmMKK2, a MEK1/2 orthologue of the parasite, which, together with the known kinases EmRaf and EmMPK1, forms an Erk1/2-like MAPK module. Moreover, I was able to demonstrate several influences of host growth factors such as EGF (epidermal growth factor) and insulin on worm signaling mechanisms and larval growth, including the phosphorylation of Elp, an ezrin-radixin-moesin like protein, EmMPK1, EmMPK3 and increased mitotic activity of Echinococcus cells. In addition, several substances were examined for their efficacy against the parasite including (i) general tyrosine kinase inhibitors (PP2, leflunamide), (ii) compounds designed to inhibit the activity of receptor tyrosine kinases, (iii) anti-neoplastic agents (miltefosine, perifosine), (iv) serine/threonine kinase inhibitors that have been designed to block the Erk1/2 MAPK cascade and (v) inhibitors of p38 MAPKs. In these studies, EmMPK2 proved to be a promising drug target for the following reasons. Amino acid sequence analysis disclosed several differences to human p38 MAPKs, which is likely to be the reason for the observed enhanced basal activity of recombinant EmMPK2 towards myelin basic protein in comparison to human recombinant p38 MAPK-α. In addition, the prominent auto-phosphorylation activity of the recombinant EmMPK2 protein together with the absence of an interaction with the Echinococcus MKKs suggest a different mechanism of regulation compared to the human enzyme. EmMPK2 activity could be effectively inhibited in vitro and in cultivated metacestode vesicles by treatment with SB202190 and ML3403, two ATP-competitive pyridinyl imidazole inhibitors of p38 MAPKs, in a concentration-dependent manner. Moreover, both compounds, in particular ML3403, caused parasite vesicle inactivation at concentrations which did not affect cultured mammalian cells. Likewise, during the cultivation of Echinococcus primary cells, the presence of ML3403 prevented the generation of new vesicles. Targeting members of the EGF signaling pathway, particulary of the Erk1/2-like MAPK cascade, with Raf and MEK inhibitors prevented the phosphorylation of EmMPK1 in metacestodes cultivated in vitro. However, although parasite growth was prevented under these conditions, the structural integrity of the metacestode vesicles maintained during long-term cultivation in the presence of the MAPK cascade inhibitors. Similar results were obtained when studying the effects of other drugs mentioned above. Taken together, several targets could be identified that reacted with high sensitivity to the presence of inhibitory substances, but did not cause the parasite’s death with one exception, the pyridinyl imidazoles. Based on the presented data, I suggest pyridinyl imidazoles as a novel class of anti-Echinococcus drugs and imply EmMPK2 as survival signal mediating factor, the inhibition of which could be used for the treatment of AE.
KW  - Fuchsbandwurm
KW  - Signaltransduktion
KW  - MAP-Kinase
KW  - Eingeweidewürmer
KW  - Proliferation
KW  - Zelldifferenzierung
KW  - Inhibitor
KW  - Entwicklung
KW  - Heilmittel
KW  - Fox tapeworm
KW  - signaltransduction
KW  - MAP kinase
KW  - chemotherapy
KW  - development
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-33334
ER  - 
TY  - THES
A1  - Konrad, Christian
T1  - Molecular analysis of insulin signaling mechanisms in Echinococcus multilocularis and their role in the host-parasite interaction in the alveolar echinococcosis
T1  - Molekulare Analyse der Insulin-Signalmechanismen in Echinococcus multilocularis und ihre Rolle in der Wirt-Parasiten-Interaktion in der Alveolären Echinokokkose
N2  - The insulin receptor ortholog EmIR of the fox-tapeworm Echinococcus multilocularis displays significant structural homology to the human insulin receptor (HIR) and has been suggested to be involved in insulin sensing mechanisms of the parasite’s metacestode larval stage. In the present work, the effects of host insulin on Echinococcus metacestode vesicles and the proposed interaction between EmIR and mammalian insulin have been studied using biochemical and cell-biological approaches. Human insulin, exogenously added to in vitro cultivated parasite larvae, (i) significantly stimulated parasite survival and growth, (ii) induced DNA de novo synthesis in Echinococcus, (iii) affected overall protein phosphorylation in the parasite, and (iv) specifically induced the phosphorylation of the parasite’s Erk-like MAP kinase orthologue EmMPK1. These results clearly indicated that Echinococcus metacestode vesicles are able to sense exogenous host insulin which induces a mitogenic response. To investigate whether EmIR mediates these effects, anti-EmIR antibodies were produced and utilized in biochemical assays and immunohistochemical analyses. EmIR was shown to be expressed in the germinal layer of the parasite both on the surface of glycogen storing cells and undifferentiated germinal cells. Upon addition of exogenous insulin to metacestode vesicles, the phosphorylation of EmIR was significantly induced, an effect which was suppressed in the presence of specific inhibitors of insulin receptor-like tyrosine kinases. Furthermore, upon expression of EmIR/HIR receptor chimera containing the extracellular ligand binding domain of EmIR in HEK 293 cells, a specific autophosphorylation of the chimera could be induced through the addition of exogenous insulin. These results indicated the capability of EmIR to sense and to transmit host insulin signals to the Echinococcus signaling machinery. The importance of insulin signaling mechanisms for parasite survival and growth were underscored by in vitro cultivation experiments in which the addition of an inhibitor of insulin receptor tyrosine kinases led to vesicle degradation and death. Based on the above outlined molecular data on the interaction between EmIR and mammalian insulin, the parasite’s insulin receptor orthologue most probably mediates the insulin effects on parasite growth and is, therefore, a potential candidate factor for host-parasite communication via evolutionary conserved pathways. In a final set of experiments, signaling mechanisms that act downstream of EmIR have been analyzed. These studies revealed significant differences between insulin signaling in Echinococcus and the related cestode parasite Taenia solium. These differences could be associated with differences in the organo-tropism of both species.
N2  - Der orthologe Insulinrezeptor EmIR des Fuchsbandwurmes Echinococcus multilocularis weist signifikante strukturelle Homologie zum humanen Insulinrezeptor (HIR) auf. Es wurde schon seit geraumer Zeit vermutet, dass EmIR an den Mechanismen beteiligt sein könnte, die es dem Metacestoden Larvenstadium des Parasiten erlauben Insulin zu detektieren. In dieser Arbeit wurden die Effekte von Wirtsinsulin auf Echinococcus Metacestoden-Vesikel und die vermutete Interaktion zwischen EmIR und Insulin von Säugern mittels biochemischer und zellbiologischer experimenteller Ansätze untersucht. Die exogene Zugabe von humanem Insulin zu in vitro kultivierten Parasitenlarven hatte folgende Effekte: (i) das Überleben und das Wachstum des Parasiten wurde signifikant stimuliert; (ii) die DNA de novo Synthese in Echinococcus wurde induziert; (iii) die generelle Proteinphosphorylierung des Parasiten wurde beeinflusst; (iv) die Phosphorylierung der orthologen Erk-like MAP Kinase, EmMPK1, des Parasiten wurde spezifisch induziert. Diese Beobachtungen zeigen deutlich, dass Echinococcus Metacestoden-Vesikel exogenes Insulin des Wirtes detektieren können und dass dieses Insulin einen mitogenischen Effekt auf den Parasiten hat. Um zu untersuchen, ob diese Effekte durch EmIR vermittelt werden, wurden anti-EmIR Antikörper hergestellt und in biochemischen experimentellen Ansätzen und immunohistochemischen Analysen eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass EmIR in der Germinalschicht des Parasiten expremiert wird, sowohl an der Oberfläche von Glykogen-Speicherzellen als auch von undifferenzierten Germinalzellen. Nach der Zugabe von exogenem Insulin konnte eine signifikante Zunahme der Phosphorylierung von EmIR festgestellt werden. Diese Stimulierung konnte durch die Zugabe eines spezifischen Inhibitors für Insulinrezeptor-ähnliche Tyrosinkinasen unterdrückt werden. Desweiteren konnte mittels der Expression eines chimären EmIR/HIR-Rezeptors, der die extrazelluläre Ligandenbindungsdomäne von EmIR enthielt, in HEK293 Zellen gezeigt werden, dass die Zugabe von exogenem Insulin eine spezifische Autophosphorylierung der Chimäre induziert. Diese Ergebnisse bezeugen die Fähigkeit von EmIR Insulin-abhängige Signale des Wirtes einerseits zu detektieren und andererseits an die Echinococcus Signalwege weiter zu leiten. Die Bedeutung von Insulin-Signalmechanismen für das Überleben und das Wachstum des Parasiten konnte durch in vitro Kultivierungsexperimente aufgezeigt werden. Die Zugabe eines Inhibitors spezifisch für Insulinrezeptor Tyrosinkinasen verursachte die Degradation und den Tod der Metacestoden-Vesikel. Basierend auf den dargelegten molekularen Daten bezüglich der Interaktion zwischen EmIR und Insulin von Säugern erscheint es sehr wahrscheinlich, dass der orthologe Insulinrezeptor des Parasiten die Effekte von Insulin auf das Wachstum des Parasiten vermittelt. Aus diesem Grund ist EmIR ein potentieller Kandidat für die Kommunikation zwischen Wirt und Parasiten mittels evolutionär konservierten Signalwegen. Die Signalmechanismen unterhalb von EmIR wurden in abschließenden Experimenten untersucht. Diese offenbarten deutliche Unterschiede in der Weiterleitung von Insulin induzierten Signalen zwischen Echinococcus und dem verwandten parasitären Zestoden Taenia solium. Diese Unterschiede könnten mit dem unterschiedlichen Organtropismus beider Arten in Verbindung stehen.
KW  - Fuchsbandwurm
KW  - Insulin
KW  - Echinokokkus
KW  - Insulin
KW  - Helminth
KW  - EmERK
KW  - Echinococcus
KW  - insulin
KW  - helminth
KW  - EmERK
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22636
ER  -