TY  - THES
A1  - Hartel, Andreas J. W.
T1  - Die laterale Diffusion des variablen Oberflächenglykoproteins in Trypanosomen und in artifiziellen Membranen
T1  - Lateral diffusion of the variant surface glycoprotein in trypanosomes and artificial membranes
N2  - Die Diffusion von Membranproteinen spielt bei einer Vielzahl von zellbiologischen Prozessen eine zentrale Rolle. So hat die Beweglichkeit von Glykosyl-Phosphatidyl-Inositol-(GPI-) verankerten Proteinen zum Beispiel eine tragende Funktion bei der Alzheimer Krankheit, der Creutzfeldt-Jacob Krankheit und der Afrikanischen Schlafkrankheit. Der Erreger der Afrikanischen Schlafkrankheit, Trypanosoma brucei spec., präsentiert auf
seiner Zelloberfläche einen dichten Mantel aus identischen GPI-verankerten Proteinen. Diese sogenannten Variant Surface Glycoproteins (VSGs) stellen den zentralen Pathogenitätsfaktor der Trypanosomen im Blutstrom des Wirtes dar und ermöglichen dem Parasiten die Antigene Variation. Während der Antigenen Variation wird der VSGMantel durch einen immunologisch distinkten Mantel ersetzt. Hierfür ist die Diffusion der VSG essentiell. In der vorliegenden Arbeit wird die Diffusion des VSG in lebenden Trypanosomen und in artifiziellen Membranen systematisch untersucht. Auf diese Weise werden der Einfluss der lateralen Proteindichte, der N-Glykosylierung und der Proteingröße auf die Diffusion der GPI-verankerten Proteine charakterisiert. Die Mobilität des VSG auf lebenden Trypanosomen ist an der Grenze zu einem Diffusionsschwellenwert, dieser wird allerdings nicht überschritten. Die Mobilität des VSG in der Nähe des Diffusionsschwellenwertes wird durch die N-Glykosylierung der VSG ermöglicht. Außerdem kann gezeigt werden, dass die Größe der Proteine einen entscheidenden Einfluss auf den Diffusionskoeffizienten der GPI-verankerten Proteine ausübt. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deutlich, dass der VSG-Mantel der Trypanosomen ein, an seine Anforderungen, hoch-adaptiertes System darstellt. Würde entweder die laterale Dichte, die N-Glykosylierung oder die Größe der Proteine beeinträchtigt werden, so wäre die Funktion der Antigenen Variation gestört und die Pathogenität des Parasiten gefährdet. Da die lokale Verteilung von GPI-verankerten Proteinen in biologischen Membranen ein wichtiges funktionelles Konzept darstellt, ist der Einfluss der untersuchten Faktoren nicht nur für den VSG-Mantel relevant, sondern kann auch für das generelle Verständnis
der Dynamik von Proteinen in zellulären Membranen dienen.
N2  - The lateral diffusion of membrane anchored proteins plays a crucial role in many cell biological processes. The mobility of glycosylphosphatidylinositol- (GPI-) anchored
proteins holds a pivotal function in many diseases such as, Creutzfeld-Jacob, Alzheimer and the African sleeping sickness. The cell surface of the pathogen causing African
sleeping sickness, Trypanosoma brucei sp., is covered by a dense layer of identical GPI-anchored proteins. These variant surface glycoproteins (VSGs) are the major pathogenicity factor of the parasites in the circulation of the host and permit antigenic variation. During antigenic variation the VSG-coat has to be replaced by an
immunologically distinct coat. For this purpose, the diffusion of VSG is essential. In the present study, the diffusion of VSG is analysed in living trypanosomes and
in artificial membranes. By this, the impact of the lateral protein density, the Nglycosylation and the protein size on the lateral diffusion are studied systematically. The diffusion of VSG in the surface coat of the trypanosome is at the edge of a molecular crowding threshold. Importantly, this crowding threshold is not exceeded. N-glycosylation enables the diffusion of the VSG at the edge of the crowding threshold. Further, the diffusion coefficient of GPI-anchored proteins is strongly affected by the size of the proteins. In conclusion, the present study shows, that the VSG-coat of the trypanosomes is a system, which is highly adapted to its requirements. Any interference with either, the lateral density, the N-glycosylation or the VSG-size would hamper the pathogenicity of the parasite. The local distribution of GPI-anchored proteins is an essential component of biological membranes, thus the results of the present work will have an impact not only on the VSG-coat, but also give further understanding on the
dynamics of proteins in crowded spaces.
KW  - Trypanosomen
KW  - Brownsche Bewegung
KW  - Diffusion
KW  - Membranproteine
KW  - Diffusion
KW  - GPI-verankerte Proteine
KW  - Trypanosomen
KW  - Laterale Dichte
KW  - N-Glykosylierung
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-90997
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Henriette
T1  - Antigenic variation and stumpy development in \(Trypanosoma\)  \(brucei\)
T1  - Antigene Variation und Stumpy Entwicklung in \(Trypanosoma\)  \(brucei\)
N2  - The eukaryotic parasite Trypanosoma brucei has evolved sophisticated strategies to persist within its mammalian host. Trypanosomes evade the hosts' immune system by antigenic variation of their surface coat, consisting of variant surface glycoproteins (VSGs). Out of a repertoire of thousands of VSG genes, only one is expressed at any given time from one of the 15 telomeric expression sites (ES). The VSG is stochastically exchanged either by a transcriptional switch of the active ES (in situ switch) or by a recombinational exchange of the VSG within the active ES. However, for infections to persist, the parasite burden has to be limited. The slender (sl) bloodstream form secretes the stumpy induction factor (SIF), which accumulates with rising parasitemia. SIF induces the irreversible developmental transition from the proliferative sl to the cell cycle-arrested but fly-infective stumpy (st) stage once a concentration threshold is reached. Thus, antigenic variation and st development ensure persistent infections and transmissibility. A previous study in monomorphic cells indicated that the attenuation of the active ES could be relevant for the development of trypanosomes. The present thesis investigated this hypothesis using the inducible overexpression of an ectopic VSG in pleomorphic trypanosomes, which possess full developmental competence. These studies revealed a surprising phenotypic plasticity: while the endogenous VSG was always down-regulated upon induction, the ESactivity determined whether the VSG overexpressors arrested in growth or kept proliferating. Full ES-attenuation induced the differentiation of bona fide st parasites independent of the cell density and thus represents the sole natural SIF-independent differentiation trigger to date. A milder decrease of the ES-activity did not induce phenotypic changes, but appeared to prime the parasites for SIF-induced differentiation. These results demonstrate that antigenic variation and development are linked and indicated that the ES and the VSG are independently regulated. Therefore, I investigated in the second part of my thesis how ES-attenuation and VSG-silencing can be mediated. Integration of reporters with a functional or defective VSG 3'UTR into different genomic loci showed that the maintenance of the active state of the ES depends on a conserved motif within the VSG 3'UTR. In situ switching was only triggered when the telomere-proximal motif was partially deleted, suggesting that it serves as a DNA-binding motif for a telomere-associated protein. The VSG levels seem to be additionally regulated in trans based on the VSG 3'UTR independent of the genomic context, which was reinforced by the regulation of a constitutively expressed reporter with VSG 3' UTR upon ectopic VSG overexpression.
N2  - Der eukaryotische Parasit Trypanosoma brucei hat komplexe Strategien entwickelt, um in seinem Säugetierwirt zu überleben. Die Grundlage der Immunevasion ist die antigene Variation des Oberflächenmantels, der aus dem variablen Oberflächenglykoprotein (VSG) besteht. Von mehreren tausend VSG-Genen wird zu jedem Zeitpunkt nur ein einziges aus einer der 15 telomerischen Expressionsstellen (ES) exprimiert. Das VSG kann entweder durch einen transkriptionellen Wechsel der aktiven ES (in situ Wechsel) oder durch einen rekombinatorischen Wechsel des VSG-Gens innerhalb der aktiven ES stochastisch ausgetauscht werden. Damit jedoch eine langanhaltende Infektion des Wirts möglich wird, muss gleichzeitig der Parasitenbefall begrenzt werden. Mit ansteigender Parasitämie akkumuliert der 'stumpy induction factor' (SIF), welcher von der 'slender' (sl) Blutstromform sekretiert wird. Sobald ein Schwellenwert in der SIF-Konzentration erreicht ist, wird die irreversible Differenzierung der proliferativen sl in die zellzyklusarretierte 'stumpy'(st) Form eingeleitet, welche infektiös für den Fliegenvektor ist. Somit stellen antigene Variation und st- Differenzierung das Persistieren der Infektion und die Übertragung des Parasiten sicher. Eine frühere Arbeit mit monomorphen Zellen deutete darauf hin, dass die Attenuierung der aktiven ES eine Rolle für die Differenzierung der Trypanosomen spielen könnte. Diese Hypothese wurde in der vorliegenden Dissertation untersucht, indem in pleomorphen Zellen mit vollständiger Entwicklungskompetenz ein ektopisches VSG induzierbar überexprimiert wurde. Diese Studien offenbarten eine erstaunliche phänotypische Plastizität: während das endogene VSG nach Induktion runter reguliert wurde, arretierten die VSG-Überexpressoren in Abhängigkeit von der ES-Aktivität entweder im Wachstum oder teilten sich weiter. Die vollständige ES-Attenuierung löste die Differenzierung zu echten st Zellen unabhängig von der Zelldichte aus und ist somit der bisher einzige natürliche SIF-unabhängige Differenzierungsauslöser. Eine mildere Abnahme der ES-Aktivität verursachte keinen Phänotyp, scheint aber die Zellen auf die SIF-induzierte Differenzierung vorzubereiten. Diese Ergebnisse zeigen, dass antigene Variation und Differenzierung verbunden sind und deuteten an, dass die ES und das VSG unabhängig voneinander reguliert werden. Daher habe ich im zweiten Teil meiner Dissertation untersucht, wie ES-Attenuierung und VSG-Stilllegung vermittelt werden können. Die Integration eines Reporters mit funktioneller oder defekter VSG 3'UTR an verschiedenen Orten im Genom zeigte, dass die Aufrechterhaltung der ES-Aktivität von einem konservierten Motiv in der VSG 3'UTR abhängig ist. Ein in situ Wechsel wurde nur ausgelöst, wenn Teile des Telomer-proximalen Motiv deletiert wurden, was nahelegt, dass das Motiv auf DNA-Ebene von einem Telomerbindeprotein erkannt wird. Die VSG-Level scheinen unabhängig vom genomischen Kontext zusätzlich in trans basierend auf der VSG 3'UTR reguliert zu werden, was durch die Regulation eines konstitutiv exprimierten Reporters mit VSG 3'UTR nach VSG-Überexpression bekräftigt wurde.
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Genexpression
KW  - Entwicklung
KW  - Parasit
KW  - VSG
KW  - antigenic variation
KW  - monoallelic expression
KW  - stumpy development
KW  - differentiation
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-146902
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bartossek, Thomas
T1  - Structural and functional analysis of the trypanosomal variant surface glycoprotein using x-ray scattering techniques and fluorescence microscopy
T1  - Strukturelle und funktionale Analyse des variablen Oberflächenproteins von Trypanosoma brucei mithilfe vön Röntgenstreutechniken und Fluoreszenzmikroskopie
N2  - Trypanosoma brucei is an obligate parasite and causative agent of severe diseases affecting humans and livestock. The protist lives extracellularly in the bloodstream of the mammalian host, where it is prone to attacks by the host immune system. As a sophisticated means of defence against the immune response, the parasite’s surface is coated in a dense layer of the variant surface glycoprotein (VSG), that reduces identification of invariant epitopes on the cell surface by the immune system to levels that prevent host immunity. The VSG has to form a coat that is both dense and mobile, to shield invariant surface proteins from detection and to allow quick recycling of the protective coat during immune evasion. This coat effectively protects the parasite from the harsh environment that is the mammalian bloodstream and leads to a persistent parasitemia if the infection remains untreated. The available treatment against African Trypanosomiasis involves the use of drugs that are themselves severely toxic and that can lead to the death of the patient. Most of the drugs used as treatment were developed in the early-to-mid 20th century, and while developments continue, they still represent the best medical means to fight the parasite. The discovery of a fluorescent VSG gave rise to speculations about a potential interaction between the VSG coat and components of the surrounding medium, that could also lead to a new approach in the treatment of African Trypanosomiasis that involves the VSG coat. The initially observed fluorescence signal was specific for a combination of a VSG called VSG’Y’ and the triphenylmethane (TPM) dye phenol red. Exchanging this TPM to a bromo-derivative led to the observation of another fluorescence effect termed trypanicidal effect which killed the parasite independent of the expressed VSG and suggests a structurally conserved feature between VSGs that could function as a specific drug target against T. b. brucei. The work of this thesis aims to identify the mechanisms that govern the unique VSG’Y’ fluorescence and the trypanocidal effect. Fluorescence experiments and protein mutagenesis of VSG’Y’ as well as crystallographic trials with a range of different VSGs were utilized in the endeavour to identify the binding mechanisms between TPM compounds and VSGs, to find potentially conserved structural features between VSGs and to identify the working mechanisms of VSG fluorescence and the trypanocidal effect. These trials have the potential to lead to the formulation of highly specific drugs that
target the parasites VSG coat.
During the crystallographic trials of this thesis, the complete structure of a VSG was solved experimentally for the first time. This complete structure is a key component in furthering the understanding of the mechanisms governing VSG coat formation. X-ray scattering techniques, involving x-ray crystallography and small angle x-ray scattering were applied to elucidate the first complete VSG structures, which reveal high flexibility of the protein and supplies insight into the importance of this flexibility in the formation of a densely packed but highly mobile surface coat.
N2  - Trypanosoma brucei ist ein eukaryotischer Parasit welcher bei Menschen und Nutztieren schwere Krankheiten auslöst. Der Protist lebt extrazellulär im Blutstrom seines Säugetier-Wirtes, in welchem er unter konstantem Angriff durch das Wirts-Immunsystem steht. Als ausgeklügelte Methode zur Umgehung der Immunantwort besitzt der Parasit einen dichten Oberflächenmantel des variablen Oberflächen-Glycoproteins (VSG), welcher die Identifikation invariabler Oberflächenproteine durch das Immunsystem erschwert und Wirts-Immunität gegen den Parasiten verhindert. Der gebildete VSG-Mantel muss gleichzeitig eine hohe Dichte besitzt, um invariable Oberflächenproteine vor Immundetektion zu beschützen, und eine hohe Mobilität aufweisen, um ein schnelles Recycling des
Schutzmantels während Immunantworten zu gewährleisten. Dieser Mantel schützt den Parasiten effektiv vor dem Wirts-Immunsystem und führt bei fehlender Behandlung des Patienten zur persistenten Parasitemie durch Trypanosoma brucei. Die verfügbaren Behandlung gegen die Afrikanische Trypanosomiasis beinhaltet die Benutzung von Medikamenten welche ihrerseits z.T. stark toxisch sind und den Tod des Patienten verursachen können. Ein Großteil der verfügbaren Medikamente wurden zu Beginn des letzten Jahrhunderts entwickelt und stellen trotz anhaltenden Entwicklungen noch immer die beste Lösung im Kampf gegen den Parasiten dar. 
Die Entdeckung eines fluoreszierenden VSGs deutete auf eine Interaktionen zwischen dem VSG Mantel und Bestandteilen des umgebenden Medium hin, welche die Entwicklung von Medikamenten mit dem VSG
Mantel als Drug Target ermöglichen könnte. Das ursprünglich beobachtete Fluoreszenz-Signal war spezifisch für eine Kombination eines VSG namens VSG’Y’ und dem Triphenylmethan (TPM) Phenolrot. Der Austausch von Phenolrot gegen ein Brom-Derivat führte zur Beobachtung eines weiteren Fluoreszenz-Effekts, welcher unabhängig vom exprimierten VSG auftritt und letal für den Parasiten ist. Dieser so genannten Trypanozide Effekt lässt auf konservierte Strukturen schließen, welche von allen VSGs geteilt werden und als hochspezifisches Drug Target gegen T. b. brucei fungieren könnten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Mechanismen zu identifizieren, welche die einzigartige VSG’Y’-Fluoreszenz und den Trypanoziden Effekt auslösen. Fluoreszenz-Experimente
und Protein-Mutagenese von VSG’Y’, sowie röntgenkristallographische Analysen mit mehreren unterschiedlichen VSGs wurden in dem Bestreben durchgeführt, die Bindung zwischen VSGs und TPMs zu charakterisieren, potentiell konservierte Strukturen von VSGs zu finden und die Mechanismen der einzigartigen VSG’Y’-Fluoreszenz und des Trypanoziden Effekts zu identifizieren. Diese Arbeiten haben das Potenzial die Formulierung hochspezifischer Medikamente mit VSGs als Drug Target anzutreiben.
Im Rahmen der kristallographischen Analysen wurden die ersten vollständigen VSG Strukturen ermittelt, welche eine hohe Bedeutung für das Verständnis über die Bildung des VSG-Mantels haben. Die VSG Strukturen wurden u.a. per Röntgenkristallographie und Kleinwinkel-Röntgenstreuung aufgeschlüsselt und zeigten dass VSGs ein hohes Maß an Flexibilität besitzen. Diese Flexibilität ist wichtig für die Bildung eines dichten und hochmobilen VSG-Mantels.
KW  - Trypanosoma brucei brucei
KW  - Röntgenstrukturanalyse
KW  - Röntgen-Kleinwinkelstreuung
KW  - Mutagenese
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Variables Oberflächen Glycoprotein
KW  - VSG
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-144775
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schuster, Sarah
T1  - Analysis of \(Trypanosoma\) \(brucei\) motility and the infection process in the tsetse fly vector
T1  - Analyse der Motilität von \(Trypanosoma\) \(brucei\) und dem Infektionsprozess in der Tsetsefliege
N2  - African trypanosomes are protist pathogens that are infective for a wide spectrum of mammalian hosts. Motility has been shown to be essential for their survival and represents an important virulence factor. Trypanosoma brucei is transmitted by the bite of the bloodsucking tsetse fly, the only vector for these parasites. The voyage through the fly is complex and requires several migration, proliferation and differentiation steps, which take place in a defined order and in specific fly tissues.
The first part of this doctoral thesis deals with the establishment of the trypanosome tsetse system as a new model for microswimmer analysis. There is an increasing interdisciplinary interest in microbial motility, but a lack of accessible model systems. Therefore, this work introduces the first enclosed in vivo host parasite system that is suitable for analysis of diverse microswimmer types in specific microenvironments. Several methods were used and adapted to gain unprecedented insights into trypanosome motion, the fly´s interior architecture and the physical interaction between host and parasite. This work provides a detailed overview on trypanosome motile behavior as a function of development in diverse host surroundings. In additional, the potential use of artificial environments is shown. This can be used to partly abstract the complex fly architecture and analyze trypanosome motion in defined nature inspired geometries. 
In the second part of the thesis, the infection of the tsetse fly is under investigation. Two different trypanosome forms exist in the blood: proliferative slender cells and cell cycle arrested stumpy cells. Previous literature states that stumpy cells are pre adapted to survive inside the fly, whereas slender cells die shortly after ingestion. However, infection experiments in our laboratory showed that slender cells were also potentially infective. During this work, infections were set up so as to minimize the possibility of stumpy cells being ingested, corroborating the observation that slender cells are able to infect flies. Using live cell microscopy and fluorescent reporter cell lines, a comparative analysis of the early development following infection with either slender or stumpy cells was performed. The experiments showed, for the first time, the survival of slender trypanosomes and their direct differentiation to the procyclic midgut stage, contradicting the current view in the field of research. Therefore, we can shift perspectives in trypanosome biology by proposing a revised life cycle model of T. brucei, where both bloodstream stages are infective for the vector.
N2  - Afrikanische Trypanosomen sind pathogene Protisten, die ein breites Spektrum von Säugetierwirten infizieren. Es wurde gezeigt, dass die Zellmotilität für das Überleben der Parasiten essenziell ist und einen wichtigen Virulenzfaktor darstellt. Trypanosoma brucei wird durch den Biss der blutsaugenden Tsetsefliege übertragen, dem einzigen Vektor für diese Parasiten. Der Entwicklungszyklus in der Fliege ist komplex und beinhaltet mehrere Migrations-, Proliferations- und Differenzierungsschritte, die in einer definierten Reihenfolge und in spezifischen Fliegenorganen stattfinden.
Der erste Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Etablierung des Trypanosomen Tsetse Systems als ein neues Modell für Motilitätsanalysen. Es besteht ein wachsendes interdisziplinäres Interesse an mikrobieller Motilität, aber es fehlen zugängliche Mikroschwimmersysteme. Deswegen stellt diese Arbeit das erste abgeschlossene in vivo Wirt Parasit System vor, das für Analysen von verschiedenen Mikroschwimmertypen in spezifischen Umgebungen geeignet ist. Verschiedene Methoden wurden benutzt und adaptiert, um sowohl Einblicke in die Trypanosomenbewegung, die innere Fliegenarchitektur als auch die physikalischen Wechselwirkungen zwischen Wirt und Parasit zu erhalten. Diese Arbeit bietet einen detaillierten Überblick über das motile Verhalten von Trypanosomen als Funktion der Entwicklung in diversen Wirtsumgebungen. Zusätzlich ist die potenzielle Nutzung von artifiziellen Umgebungen gezeigt. Diese können benutzt werden, um die komplexe Architektur der Fliege teilweise zu abstrahieren und die Trypanosomenbewegung in definierten und von der Nature inspirierten Geometrien zu analysieren. 
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Infektion der Fliege genauer betrachtet. Im Blut existieren zwei verschiedene Trypanosomenformen: proliferierende ‘slender’ und Zellzyklus arretierte ‘stumpy’ Zellen. Bisherige Literatur besagt, dass stumpy Zellen präadaptiert sind, um in der Fliege zu überleben, wohingegen slender Zellen kurz nach der Aufnahme sterben. Dennoch konnten Infektionsexperimente in unserem Labor zeigen, dass auch slender Zellen potenziell infektiös sind. Während dieser Arbeit wurden weitere Infektionen so durchgeführt, dass die Möglichkeit für die Aufnahme von stumpy Zellen minimiert wurde und die Infektionskapazität der slender Zellen bestätigt werden konnte. Durch Lebendzell Mikroskopie mit fluoreszenten Reporterzelllinien wurde eine vergleichende Analyse für die frühe Entwicklung von slender und stumpy Parasiten nach der Infektion durchgeführt. Die Experimente zeigten zum ersten Mal das Überleben von slender Trypanosomen in der Tsetsefliege und ihre direkte Differenzierung in das prozyklische Mitteldarmstadium. Sie widersprechen demnach der aktuellen Auffassung im Forschungsbereich. Demzufolge können wir von einem Perspektivwechsel in der Trypanosomenbiologie sprechen und schlagen einen revidierten Lebenszyklus für T. brucei vor, in dem beide Blutstromformen für den Vektor infektiös sind.
KW  - Motilität
KW  - Trypanosomen
KW  - Tsetsefliege
KW  - Parasit
KW  - tsetse fly
KW  - motility
KW  - trypanosome
KW  - vector-parasite interaction
KW  - microswimming
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192691
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller-Hübner, Laura
T1  - The role of nuclear architecture in the context of antigenic variation in Trypanosoma brucei
T1  - Über die Rolle der Zellkernarchitektur im Kontext von Antigenvariation in Trypanosoma brucei
N2  - Antigenic variation of surface proteins is a commonly used strategy among pathogens to evade the host immune response [63]. The mechanism underlying antigenic variation relies on monoallelic exclusion of a single gene from a hypervariable multigene family combined with repeated, systematic changes in antigen expression. In many systems, these gene families are arranged in subtelomeric contingency loci that are subject to both transcriptional repression and enhanced mutagenesis and recombination [16].
Eviction of a selected gene from a repressed antigen repertoire can be achieved e.g. by recombination into a dedicated, transcriptionally permissive site or by local epigenetic alterations in chromatin composition of the selected gene.
Both processes are ultimately affected by genome architecture. Architectural proteins controlling antigenic variation have, however, remained elusive in any pathogen.
The unicellular protozoan parasite Trypanosoma brucei evades the host immune response by periodically changing expression of a single variant surface glycoprotein (VSG) from a repertoire of ~3000 VSG genes – the largest mutually exclusively expressed gene family described today. To activate a selected VSG gene, it needs to be located in a dedicated expression site that becomes subject to relocation into a distinct, transcriptionally active subnuclear compartment, the expression site body (ESB). Whereas this emphasizes the importance of nuclear architecture in regulating antigen expression in T. brucei, the mechanisms underlying spatial positioning of DNA in T. brucei are not well understood.
In this study I applied genome-wide chromosome conformation capture (Hi-C) to obtain a comprehensive picture of the T. brucei genome in three dimensions, both in procyclic and bloodstream form parasites. Hi-C revealed a highly structured nucleus with megabase chromosomes occupying distinct chromosome territories. Further, specific trans interactions between chromosomes, among which are clusters of centromeres, rRNA genes and procyclins became apparent. With respect to antigenic variation, Hi-C revealed a striking compaction of the subtelomeric VSG gene repertoire and a strong clustering of transcriptionally repressed VSG-containing expression sites. Further, Hi-C analyses confirmed the spatial separation of the actively transcribed from the silenced expression sites in three dimensions.
I further sought to characterize architectural proteins mediating nuclear architecture in T. brucei. Whereas CTCF is absent in non-metazoans, we found cohesin to be expressed throughout the cell cycle, emphasizing a function beyond sister chromatid cohesion in S-phase.
By Chromatin-Immunoprecipitation with sequencing (ChIPseq), I found cohesin enrichment to coincide with the presence of histone H3 vari- ant (H3.V) and H4 variant (H4.V). Most importantly, cohesin and the histone variants were enriched towards the VSG gene at silent and active expression sites.
While the deletion of H3.V led to increased clustering of expression sites in three dimensions and increased chromatin accessibility at expression site promoters, the additional deletion of H4.V increased chromatin accessibility at expression sits even further.
RNAseq showed that mutually exclusive VSG expression was lost in H3.V and H4.V single and double deletion mutants. Immunofluorescence imaging of surface VSGs, flow cytometry and single-cell RNAseq revealed a progressive loss of VSG-2 expression, indicative of an increase in VSG switching rate in the H3.V/H4.V double deletion mutants. Using long-read sequencing technology, we found that VSG switching occurred via recombination and concluded, that the concomitant increase in spatial proximity and accessibility among expression sites facilitated the recombination event.
I therefore identified the histone variants H3.V and H4.V to act at the interface of global nuclear architecture and chromatin accessibility and to represent a link between genome architecture and antigenic variation.
N2  - Antigenvariation ist ein weit verbreiteter Mechanismus der Immunevasion von Pathogenen [63]. Sie beruht auf der transkriptionellen Selektion eines einzelnen Gens aus einer hypervariablen Multi-Gen Familie und dem wiederholten, systematischen Wechsel zwischen der Expression verschiedener Gene dieser Familie. In vielen Organismen sind diese Gene als Kontingenzgene in den Subtelomeren angeordnet, wo sind einerseits transkriptionell reprimiert werden, andererseits erhöhter Mutagenese und Rekombination unterliegen [16]. Monoallelische Exklusion eines Gens und die damit einhergehende Eviktion aus seinem reprimierten genomischen Umfeld beruht auf unterschiedlichen molekularen Mechanismen. Sie ist, zum Beispiel, das Resultat einer Rekombination des betreffenden Gens in einen dedizierten, transkriptionell permissiven Lokus oder wird durch epigenetische, bzw. räumliche Umstrukturierung des entsprechenden Gens oder zugrunde liegenden Chromatins erreicht.
Beide Prozesse sind letztendlich durch die Architektur des Genoms beeinflusst. Architekturelle Proteine, die ebenfalls Antigenvariation kontrollieren, sind in vielen Pathogenen unbekannt.
Der parasitäre Protozoe Trypanosoma brucei entkommt einer Elimination durch die Immunabwehr seines Wirtes durch den periodischen Wechsel in der Expression eines von fast 3000 variablen Oberflächenglykoproteinen (VSGs). VSG-Gene umfassen die größte, monoallelisch exprimierte Genfamilie, die bislang beschrieben wurde. Um exprimiert zu werden, muss das selektierte VSG Gen in eine Expressionsseite transloziert sein. Diese wiederum wird in einem dedizierten Kompartment des Zellkerns, dem Expressionsseiten-Zellkernkörper (ESB), transkribiert. Obgleich diese Gegebenheiten die zentrale Rolle der Zellkernarchitektur in der Antigenvariation in T. brucei verdeutlichen, so ist wenig über die ihr zugrundeliegenden Mechanismen bekannt. Um ein umfassendes Bild der Zellkernarchitektur in Trypanosomen zu bekommen, habe ich in der hier vorliegenden Doktorarbeit Hi-C, eine Methode zur Feststellung chromosomaler Konformationen, in T. brucei Blutstromform und Prozyklen etabliert und angewendet. Die Applikation dieser Technik offenbarte einen hoch strukturierten Zellkern: Chromosome sind territorial angeordnet und gehen spezifische Interaktionen in trans untereinander ein. Dies sind beispielsweise Interaktionen zwischen Zentromeren, Genen für ribosomale RNA und Prozyklinen unterschiedlicher Chromosomen. Auch Interaktionen, die in funktionellem Zusammenhang mit Antigenvariation stehen, wurden gefunden. Dabei handelte es sich zum Einen um strukturelle Verdichtungen des subtelomerischen Chromatins transkriptionell reprimierter VSG Gene und zum Anderen um erhöhte Interaktionen zwischen reprimierten VSG-Expressionsseiten. Hi-C bestätigte außerdem die räumliche Separation der aktiv transkribierten Expressionsseite von den übrigen, stillen VSG-Expressionsseiten.
Des Weiteren suchte ich nach Proteinen, die in der Aufrechterhaltung der Zellkernarchitektur in T. brucei wirken. Anders als CTCF ist Cohesin nicht auf Metazoen beschränkt. Ich fand Cohesin über den gesamten Zellzyklus exprimiert, was eine architekturelle Rolle des Proteinkomplexes zuzüglich der Schwesterchromatidkohäsion suggerierte. Mittels Chromatin-Immunpräzipitation konnte ich feststellen, dass Cohesin mit den Histonvarianten H3.V und H4.V an vielen Stellen des Ge- noms kolokalisierte, insbesondere über dem VSG Gen der aktiven und reprimierten Expressionsseiten. Während eine Deletion von H3.V zu erhöhten Interaktionsfrequenzen zwischen Expressionsseiten führte, resultierte eine gleichzeitige Deletion von H3.V und H4.V zu einer additiven Öffnung des Chromatins an Expressionsseiten. RNA Sequenzierungen ergaben, dass in der H3.V/H4.V Doppeldeletionsmutante die Transcription von VSG Genen erhöht war, was auf einen funktionellen Verlust der monoallelischen Expression hindeutete. Immunfluoreszenzaufnahmen der VSGs auf der Zelloberfläche, Durchflusszytometrie und RNA Sequenzierung einzelner Zellen zeigten einen fortschreitenden Verlust der Expression von VSG-2, was auf einen erhöhten Wechsel der VSG-Expression auf dem Einzelzelllevel hindeutete. Durch die Sequenzierung der genomischen DNA der H3.V/H4.V Doppeldeletionsmutante konnten wir feststellen, dass der primäre Mechanismus des Wechsels in der VSG Expression auf eine Rekombination zwischen Expressionsseiten zurückzuführen war. Diese Rekombination wurde vermutlich durch die gesteigerte räumliche Nähe und Öffnung des Chromatins der Expressionsseiten begünstigt. Zusammenfassend konnte ich feststellen, dass die Histonvarianten H3.V und H4.V auf der Schnittstelle zwischen globaler Zellkernarchitektur und lokaler Chromatinzugänglichkeit agieren und funktionell ein molekulares Verbindungsstück zwischen Genomarchitektur und Antigenvariation darstellen.
KW  - Trypanosoma brucei brucei
KW  - Zellkern
KW  - Histone
KW  - DNS
KW  - Zellkernarchitektur
KW  - Hi-C
KW  - nuclear architecture
KW  - parasitology
KW  - histone variants
KW  - antigenic variation
KW  - mutually exclusive expression
KW  - chromosome conformation capture
KW  - variant surface glycoprotein
KW  - VSG
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-187074
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bettaga, Noomen
T1  - Bedeutung der NO-sensitiven Guanylyl Cyclase bei der Angiogenese und der Arteriogenese in der Maus
T1  - Role of NO-sensitive guanylyl cyclase in angiogenesis and arteriogenesis in mice
N2  - Stickstoffmonoxid (NO) spielt eine wichtige Rolle bei Gefäßremodelling-Prozessen wie Angiogenese und Arteriogenese. Die NO-Synthese im Gefäßsystem wird hauptsächlich durch die endotheliale NO-Synthase (eNOS) gewährleistet. Sie kann durch verschiedene Faktoren wie Scherkräfte und Zytokine wie der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) reguliert werden. VEGF ist ein wichtiger Stimulator der Angiogenese und wird während dieses Prozesses hochreguliert. Die meisten physiologischen Effekte von NO werden durch die NO-sensitive Guanylyl-Cyclase (NO-GC) vermittelt. Als Hauptrezeptor für NO produziert die NO-GC den sekundären Botenstoff cyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP) und führt dadurch zur Stimulation der verschiedenen Effektoren wie z.B. der PKG. Ob die Wirkung von NO in Angiogenese und Arteriogenese ebenfalls durch NO-GC vermittelt wird, war bis zum Beginn dieser Arbeit noch unklar.
Die NO-GC besteht aus zwei Untereinheiten (α und ß). Die Deletion der ß1-Untereinheit in Mäusen resultiert in einer vollständigen Knockout Maus (GCKO). Mithilfe des Cre-LoxP-Systems wurden zusätzlich zellspezifische Knockout-Mäuse für glatte Muskelzellen (SMC-GCKO) und Endothelzellen (EC-GCKO) generiert. Um die Rolle der NO-GC in der Angiogenese und Arteriogenese zu untersuchen, wurden drei gut etablierte Methoden benutzt.
Im ersten Teil des Projekts sollte die Expression der NO-GC in Endothelzellen untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde die reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) benutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die NO-GC in Endothelzellen der Lunge nur äußerst gering wenig exprimiert ist. Durch den Aortenring-Assay wurde eine Rolle der NO-GC bei der VEGF-vermittelten Angiogenese festgestellt. Dabei zeigte sich eine stärkere Angiogeneserate bei globaler Abwesenheit der NO-GC. Bei Fehlen der NO-GC ausschließlich in Endothelzellen zeigte sich kein Unterschied in den aussprossenden Aorten im Vergleich zu den Kontroll-Tieren. Dies zeigt, dass die NO-GC in Endothelzellen sehr wahrscheinlich keine Rolle bei der VEGF-vermittelten Angiogenese spielt.
Im zweiten Teil wurde die Rolle der NO-GC bei der Angiogenese in einem in vivo-Modell untersucht. In dem Modell der Sauerstoff-induzierten-Retinopathie zeigten die GCKO-Mäuse eine verringerte Vaso-Obliteration, eine verlangsamte Angiogenese und eine erhöhte Tuft-Bildung. Ähnliche Ergebnisse wurden bei den SMC-GCKO-Tieren beobachtet. EC-GCKO-Mäuse zeigten eine gegenüber den Kontroll-Tieren unveränderte Vaso-Obliteration, Angiogeneserate und Tuft-Bildung. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die NO-GC in Endothelzellen keine Rolle spielt. Immunfluoreszenz-Aufnahmen zeigten die Expression von NO-GC in Perizyten der Gefäßkapillaren der Mausretina. Daher könnte die NO-GC in diesem Zelltyp letztendlich für die Effekte bei den GCKO- und SMC-GCKO-Tieren verantwortlich sein.
Im letzten Teil dieser Arbeit wurde eine Versuchsreihe unter Anwendung des Hinterlauf-Ischämie-Modells durchgeführt. Hierbei entwickelten die Pfoten aller GCKO- und teilweise der SMC-GCKO-Tiere nach der Ligation der Femoralarterie eine Nekrose. Die Regeneration der Hinterläufe der EC-GCKO-Tiere nach der Operation verlief normal. Diese Ergebnisse schließen eine bedeutende Rolle der NO-GC in Endothelzellen aus, zeigen allerdings, dass die NO-GC in den glatten Muskelzellen essentiell für den Arteriogenese-Prozess ist.
Zusammengefasst führt die Deletion der NO-GC in glatten Muskelzellen und wahrscheinlich auch in Perizyten zur einer verlangsamten Angiogenese und Inhibierung der Arteriogenese.
N2  - Nitric oxide (NO) plays an important role in vascular remodelling processes such as angiogenesis and arteriogenesis. The synthesis of NO in the vascular system is ensured mainly by endothelial NO synthase (eNOS). It can be regulated by a number of factors, such as shear stress and cytokines like the vascular endothelial growth factor (VEGF). VEGF is an important stimulator of angiogenesis and is upregulated during this process. Most of the physiological effects of NO are mediated by the NO-sensitive guanylyl cyclase (NO-GC). As the main receptor for NO, NO-GC produces the second messenger cyclic guanosine monophosphate (cGMP) and thereby leads to a variety of physiological effects. However, whether the effects of NO in angiogenesis and arteriogenesis are also mediated by NO-GC is still unclear. 
NO-GC consists of two subunits (α and ß). The deletion of the ß1 subunit in mice results in a global knockout mouse (GCKO). Using the Cre-LoxP system we also generated smooth muscle cell-specific (SMC GCKO) and endothelial cell-specific knockout mice (EC GCKO). To investigate the role of NO-GC in angiogenesis and arteriogenesis, three well-established methods have been used. 
In the first part of the project, the expression of the NO-GC in endothelial cells should be investigated. By using the reverse transcription polymerase chain reaction method (RT-PCR), the results show a very weak expression of the NO-GC in endothelial cells of the lung. A role for NO-GC in the VEGF-mediated angiogenesis was ascertained by the aortic ring assay. The results show an increased angiogenesis in the global absence of NO-GC. However, the EC-GCKO shows no difference compared to control mice. This indicates that NO-GC in endothelial cells is unlikely to play a major role in VEGF-mediated angiogenesis. 
In the second part of the project, the role of NO-GC in angiogenesis was investigated in an in vivo model. In the oxygen induced-retinopathy model (OIR), GCKO mice showed reduced vaso-obliteration, slowed angiogenesis and increased tuft formation. Similar results were observed in the SMC-GCKO animals. In contrast, EC-GCKO mice showed vaso-obliteration as well as angiogenesis rate and tuft formation similar to those seen in control animals. The results of this experiment suggest that NO-GC in endothelial cells is not involved in vaso-obliteration, physiological angiogenesis and tuft formation. Immunhistochemical analyses showed the expression of NO-GC in pericytes of the vascular capillaries of the mouse retina. Therefore, NO-GC in this cell type could be responsible for the effects in GCKO- and SMC-GCKO animals. 
In the last part of this thesis, hindlimb-ischemia experiments were performed. For this purpose, the paws of all GCKO- and some SMC-GCKO animals showed necrosis after ligation of the femoral artery. The regeneration of legs from EC-GCKO animals after the operation was normal. These results exclude a major role of NO-GC in endothelial cells, but show that NO-GC in smooth muscle cells is essential in the arteriogenesis process. 
In summary, the deletion of NO-GC in smooth muscle cells and probably also in pericytes leads to a slowed angiogenesis and inhibits arteriogenesis.
KW  - Guanylylcyclase
KW  - cGMP
KW  - Stickstoffmonoxid
KW  - Angiogenese
KW  - Arteriogenese
KW  - Maus
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111284
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aydinli, Muharrem
T1  - Software unterstützte Analyse von regulatorischen Elementen in Promotoren mittels AIModules
T1  - Software backed Analysis of regulatory Elements of Promoters with AIModules
N2  - Die Regulation der Genexpression steht am Anfang vieler zellbiologischer Prozesse wie beispielsweise dem Zellwachstum oder der Differenzierung. Gene werden an Promotoren transkribiert, wobei ein Promotor selbst aus vielen logischen Einheiten aufgebaut ist, den Transkriptionsfaktorbindestellen (TFBSs). Diese können sehr nah beieinander liegen, aber auch weit entfernt voneinander sein. Sie werden spezifisch von Transkriptionsfaktoren (TFs) gebunden, die die Transkritptionsrate z.B. verstärken (Enhancer) oder schwächen (Silencer) können. Zwei oder mehr dieser TFBSs mit bestimmtem Abstand werden als "Module" zusammengefasst, die über Spezies hinweg konserviert sein können. Typischerweise findet man Module in Zellen mit einem Zellkern. Spezies mit gemeinsamen Modulen können ein Hinweis auf die gemeinsame phylogenetische Abstammung darstellen, aber auch gemeinsame Funktionsmechanismen von TFs über Gene hinweg aufdecken. Heutzutage sind verschiedene Anwendungen verfügbar, mit denen nach TFBSs in DNA gesucht werden kann. Zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit sind aber nur zwei kommerzielle Produkte bekannt, die nicht nur TFBSs, sondern auch Module erkennen. Deshalb stellen wir hier die freie und quelloffene Lösung "AIModules" vor, die diese Lücke füllt und einen Webservice zur Verfügung stellt, der es erlaubt nach TFBSs sowie nach Modulen auf DNA- und auf RNA-Abschnitten zu suchen. Für die Motivesuche werden entweder Matrizen aus der Jaspar Datenbank oder Matrizen vom Anwender verwendet. Darüberhinaus zeigen wir, dass unser Tool für die TF Suche nur Sekunden benötigt, wohingegen conTraV3 mindestens eine Stunde für dieselbe Analyse braucht. Zusätzlich kann der Anwender bei unserem Tool den Grad der Konserviertheit für TFs mit angeben und wir zeigen, dass wir mit unserer Lösung, die die Jaspar Datenbank heranzieht, mehr Module finden, als ein kommerziell verfügbares Produkt. Weiterhin kann mit unserer Lösung auch auf RNA-Sequenzen nach regulatorischen Motiven gesucht werden, wenn der Anwender die dafür nötigen Matrizen liefert. Wir zeigen dies am Beispiel von Polyadenylierungsstellen. Zusammenfassend stellen wir ein Werkzeug vor, das erstens frei und quelloffen ist und zweitens entweder auf Servern veröffentlicht werden kann oder On-Site auf einem Notebook läuft. Unser Tool erlaubt es Promotoren zu analysieren und nach konservierten Modulen sowie TFBSs in Genfamilien sowie nach regulatorischen Elementen in mRNA wie z.B. Polyadenylierungsstellen oder andere regulatorische Elemente wie beispielsweise Enhancern oder Silencern in genomischer DNA zu suchen.
N2  - Regulation of gene expression is at the root of many processes in cellular biology such as cell growth and differentiation. Promotors are the starting points for the transcription of a gene.
	The promotor itself consists of transcription factor binding sites (TFBSs) which can be closely located or vastly apart. They are recognized and bound by transcription factors (TFs) which themselves can e.g. enhance or silence the transcribing process by the RNA polymerases. Two or more of those transcription factor binding sites within a certain range are called a "module". Typically, those are found in cells with a nucleus and they may be conserved throughout species. The knowledge of modules may indicate a phylogenetic relationship among species but may also provide insight into the concerted actions of TFs on different genes. Currently there are a number of tools available that can enable a user to find TFBSs on DNA. But at the time of assembling this thesis, there are only two commercial software products available, that can not only detect TFs but also modules. Therefore, we present a free and open source solution that fills this gap by providing a web service that searches for TFBSs and modules on DNA as well as RNA stretches, called "AIModules". For that, matrices from the Jaspar database or user input matrices are used for motif discovery. Additionally, we show that our tool does TF analysis in seconds, whereas tools like conTraV3 took at least an hour. Furthermore, for the module search the user can specify  the degree of conservation of the TFs. We show that with our solution using the JASPAR database we find more modules than a commercially available tool. Moreover, with our application RNA stretches can also be searched for regulatory motifs if suitable matrices are provided. We illustrate this for polyadenylation sites. Thus, our solution is free and open source, and can be deployed on servers as well as provided on-site on a notebook. We provide a tool to analyze promotors and search for conserved modules as well as common TFBSs in gene families, search for regulatory elements in mRNA such as polyadenylation sites or other regulatory elements such as enhancers or silencers in genomic DNA.
KW  - Genregulation
KW  - Promotor <Genetik>
KW  - Transkriptionsfaktor
KW  - Modulsuche
KW  - RNA Motivsuche
KW  - Modul
KW  - Module search
KW  - RNA motiv serach
KW  - module search
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-248025
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bargul, Joel Ltilitan
T1  - Characterization of motility and erythrocyte adherence as virulence factors in African trypanosomes
T1  - Charakterisierung der Motiliät und Erythrozytenadhärenz als Virulenzfaktoren bei Afrikanischen Trypanosomen
N2  - Pathogens causing African animal trypanosomiasis (AAT), the major livestock disease in sub-Saharan Africa, belong to the salivarian group of the African trypanosomes, which are transmitted by the bite of the tsetse fly (Glossina spec.). T. vivax, T. congolense and T. brucei brucei are major pathogens of cattle in particular, causing nagana, with dramatic socio-economic consequences for the affected regions. The parasites additionally have a huge reservoir of other livestock and wild animal hosts. T. brucei, the species which also includes the subspecies pathogenic to humans causing sleeping sickness, has been extensively studied as the cultivatable model trypanosome. But less is known about the other salivarian species, which are not routinely held in culture, if at all possible. A hallmark of trypanosomal lifestyle is the protozoan flagellates incessant motility, which enables them to populate an enormous range of habitats in very diverse hosts. We were now able to characterize, for the first time with high spatiotemporal resolution microscopy, the swimming behaviour and mechanism of the most relevant salivarian species isolated directly from blood. We show the influence of viscosity on the motility of bloodstream form (BSF) cells and simulate their movement between erythrocytes, giving a clear picture of how all analyzed species move under varying environmental conditions. We show that although the basic mechanism of flagellar motility applies to all analyzed species, there are clear morphological differences that produce different reactions to the physical environment. We could define specific conditions for highly increased swimming persistence and speed for compared to the behaviour in standard culture. These results have important implications for the parasites survival strategies in the host, e.g. regarding the capacity for antibody clearance. Although we show all species to effectively remove antibodies from the cell surface, T. congolense differed markedly in its motility behaviour, which gives rise to interesting questions about this species behaviour in the bloodstream. Most of the T. congolense parasites (and to a lesser extent T. vivax) adhere to sheep erythrocytes. Further in vitro studies showed that T. congolense and T. vivax adhered to rabbit, goat, pig and cattle erythrocytes- but binding behaviour was absent in murine blood. Notably, both T. brucei and T. evansi lacked adherence to all studied host erythrocytes. Generally, attachment to blood cells caused reduction of swimming velocities. Judging from its cell architecture, as well as the motility studies in higher media viscosity and in micropillar arrays, T. congolense is not adapted to swim at high speeds in the mammalian bloodstream. Low swimming speeds could allow these purely intravascular parasites to remain bound to the host erythrocytes.
N2  - Die wichtigste Viehseuche des subsaharischen Afrika, die afrikanische Trypanosomiasis (AAT), wird durch Pathogene ausgelöst, die zu einer Gruppe der afrikanischen Trypanosomen gehört, die durch den Stich der Tsetsefliege übertragen werden (Salivaria). T. vivax, T. congolense und T. brucei brucei sind die Haupt-Erreger in Rindern, wo sie Nagana verursachen, mit dramatischen sozio-ökonomischen Folgen für die betroffenen Regionen. Die Parasiten haben zusätzlich ein riesiges Reservoir an Zucht- und Wildtieren als Wirte zur Verfügung. T. brucei, die Spezies die auch die humanpathogenen Subspezies umfasst, die Erreger der Schlafkrankheit, ist eingehend als das kultivierbare Trypanosomenmodell untersucht worden, aber es ist weniger über die anderen Salivaria Spezies bekannt, die nicht routinemäßig in Kultur gehalten werden, wenn überhaupt die Möglichkeit besteht. Ein Kennzeichen des trypanosomalen Lebensstils ist die unablässige Motilität der protozooischen Flagellaten, die es ihnen ermöglicht eine riesige Bandbreite an Habitaten in sehr diversen Wirten zu besiedeln. Wir waren in der Lage, zum ersten Mal mit räumlich und zeitlich hochauflösender Mikroskopie, das Schwimmverhalten und den Schwimmmechanismus der wichtigsten Salivaria Spezies zu charakterisieren, die direkt aus dem Blut isoliert wurden. Wir zeigen wie Viskosität die Motilität der Blutstromform (BSF)-Zellen beeinflußt und simulieren deren Bewegung zwischen Erythrozyten. Durch diese Ergebnisse erhalten wir ein klares Bild davon, wie die analysierten Spezies sich unter variierenden experimentellen Bedingungen bewegen. Wir zeigen, dass obwohl der grundlegende Mechanismus der flagellaren Motilität bei allen Spezies gleich ist, es klare morphologische Unterschiede gibt, die verschiedene Reaktionen auf die physikalische Umgebung zur Folge haben. Wir konnten spezifische Konditionen für stark erhöhte Persistenz und Schwimmgeschwindigkeit, im Vergleich zum Verhalten in der Standardkultur, bei T. vivax, T. evansi and T. brucei definieren. Diese Ergebnisse haben wichtige Implikationen für die Überlebensstrategien im Wirt, z.B. bezüglich der Kapazität für die Antikörperentfernung. Obwohl wir zeigen konnten, dass alle Spezies effektiv gebundene Antikörper von ihrer Oberfläche entfernen können, unterscheidet sich T. congolense stark in seinem motilen Verhalten, was interessante Fragen über das Verhalten dieser Spezies im Blutstrom aufwirft. Die meisten T. congolense Parasiten (und in geringerem Ausmaß T. vivax) adhärieren an Erythrozyten des Schafs. Weitere in vitro Versuche zeigten, dass T. congolense und T. vivax auch an Erythrozyten von Kaninchen, Ziege, Schwein und Rind binden, aber nicht im Blut von Mäusen. Interessanterweise adhärierten weder T. brucei noch T. evansi an Erythrozyten irgendeiner Wirts-Spezies. Im Allgemeinen hat die Bindung an Erythrozyten eine Reduktion der Schwimmgeschwindigkeit zur Folge. Nach der Zellarchitektur und dem Verhalten in Medien höherer Viskosität und zwischen Micropillar-Strukturen zu urteilen, ist T. congolense nicht adaptiert, um mit hohen Geschwindigkeiten im Blutstrom von Säugern zu schwimmen. Niedrige Schwimmgeschwindigkeiten könnten diesem rein intravaskulären Parasiten erlauben an den Erythrozyten des Wirts haften zu bleiben.
KW  - Motiliät
KW  - African trypanosomes
KW  - Trypanosomen
KW  - Erythrozyt
KW  - motility
KW  - Antibody clearance
KW  - erythrocyte adherence
KW  - Adhäsion
KW  - Virulenzfaktor
KW  - Erythrozytenadhärenz
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115053
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jung, Jamin
T1  - Precise timing of the trypanosome cell division cycle
T1  - Präzises Timing des trypanosomalen Zellzyklus
N2  - African trypanosomes are the causative agents of fatal diseases in humans and livestock. Trypanosomes show a complex lifecycle and shuttle between the transmitting vector, the tsetse (Glossina spec.), and the mammalian host. As a result of this the parasite undergoes tremendous changes in morphology and metabolism to adapt to the different living environments.
The two best-studied lifecycle stages are the procyclic forms (PCF) that live in the tsetse fly and the proliferative bloodstream form (BSF) that resides in the mammalian blood. The most conspicuous weapon that trypanosomes use to evade the host immune attack is a dense layer of a single protein type, the variant surface glycoprotein (VSG), which shields the entire cell surface. Immune evasion required high rates of surface membrane turnover and surface coat recycling.
Trypanosomes show highly polarised cell architecture with all major eukaryotic organelles (endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, endosomal apparatus, lysosome, mitochondrion and peroxisome-like glycosomes) generally present in single copy. Furthermore, trypanosomes possess a single flagellum, which is important not only for cellular motility but also for cell division.
How the duplication of all these cellular components is coordinated in order to progresss through the cell division cycle is poorly understood.
We used trypanosomes as a model organism due to the relative simplicity and the polarised nature of their cell architecture and determined the duplication of all their compartments. This was only possible due to a new synchronisation approach developed during this project.
In the first part of the thesis a precise temporal map of the cell division cycle of the BSF T. brucei cell division cycle was generated. By the use of well-described morphological markers (K/N status, new flagellum outgrowth and DNA synthesis) the position of individual cells was determined with high temporal resolution; this allowed us for the first time to synchronise a cell population in silico without affecting the naturally asynchronous growth.
In the second part of the thesis we used this tool to follow duplication events of the Major organelles during progression through the cell division cycle. We precisely determined the time points of organelle duplication and found that it is ordered in trypanosomes. Furthermore we found that BSF T. brucei cells do not grow continuously, cell size start to increase rapidly, during a short period of time, late in the cell division cycle. We speculate that the initiation of cell volume increase is temporally separated from the formation of all secretory organelles in order to ensure maintenance of the protective coat, which must remain intact at all times in order for BSF trypanosomes to be able to evade the host immune response.
N2  - Afrikanische Trypanosomen sind Erreger fataler Krankheiten sowohl bei Menschen also auch bei Nutztieren. Trypanosomen weisen einen komplexen Lebenszyklus auf und wechseln hierbei zwischen ihrem Überträger, der Tsetse Fliege (Glossina spec.) und ihrem Säugerwirt. Hieraus resultierend, erlebt der Parasit dramatische Veränderungen der Zellmorphologie und des Zell- metabolismus um sich an die jeweiligen Lebensräume anzupassen. Die zwei am besten unter- suchten Lebensstadien sind die Prozyklische Form (PCF), welche in der Tsetse Fliege vor- kommt und die Blutstrom Form, welche im Säugerwirt zirkuliert. BSF Trypanosomen leben extrazellulär im Säugerblut und sind hier kontinuierlich der Immunabwehr des Wirtes ausge- setzt. Durch einen dichten Proteinmantel eines einzigen Proteintyps, dem variablen Oberflä- chenglykoproteins (VSG) ummantelt der Parasit seine Zelloberfläche und schützt so invariable Proteine vor der Erkennung durch das Immunsystem. Um diesen VSG Mantel aufrecht zu er- halten werden enorm hohe Raten an Oberflächen-membran- und VSG- Recycling benötigt.
Trypanosomen weisen eine hoch polarisierte Zellarchitektur auf und die wichtigen Organellen (Endoplasmatisches Retikulum, Golgi Apparat, Endosomaler Apparat, Lysosome, Mitochondri- um und Glykosomen) sind generell in einfacher Kopie vorhanden. Weiterhin besitzen Trypano- somen ein einzenes Flagellum welches sowohl für die Bewegung als auch die Zellteilung des Parasiten von großer Bedeutung ist. All diese Bestandteile müssen während des Zellzyklus verdoppelt werden um zwei lebensfähige Tochterzellen zu generieren. Über die Koordinierung und die Mechanismen der Organellenteilung ist kaum etwas bekannt. Wir nutzen den einfachen Zellaufbau und die polarisierte Zellarchitektur von Trypanosomen um die Verdopplung der zel- lulären Bestandteile zu untersuchen. Dies war jedoch nur durch einen neuen Synchronisie- rungsansatz möglich der im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und etabliert wurde.
Im ersten Teil der Arbeit wurde eine zeitlich hoch aufgelöste Kartierung des Zellzyklus vorge- nommen. Wir nutzen morphologisch gut beschriebene Marker um die Position einzelner Zellen im Zellzyklus zeitlich sehr genau zu bestimmen, somit kann eine in silico Synchronisierung durchgeführt werde ohne das natürliche Verhalten der Zellpopulation zu beeinflussen.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde mittels dieser zeitlichen Zellzykluskarte der Teilungszeitpunkt aller wichtigen Organellen bestimmt. Hierbei fanden wir heraus, dass die Teilung der Zellorga- nellen in einer definierten Reihenfolge stattfindet. Weiterhin konnten wir zeigen, dass Trypano- somen nicht kontinuierlich wachsen, die Zelle wächst in einer relativ kurzen Phase, spät im Zellzyklus. Wir vermuten, dass die Teilung der sekretorischen Organellen und das Zellwachs- tums zeitlich voneinander getrennt sind um so den schützenden Proteinmantel, der für das überleben im Blut unabdingbar ist, aufrecht zu erhalten.
KW  - Zellteilung
KW  - Trypanosomes
KW  - Trypanosomen
KW  - Zellbiologie
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-114932
ER  - 
TY  - THES
A1  - Batram, Christopher
T1  - Die Kontrolle der monoallelen Expression, antigenen Variation und Entwicklung in Trypanosoma brucei
T1  - The control of monoallelic expression, antigenic variation and development of Trypanosoma brucei
N2  - Die ausschließliche Expression von nur einem Gen aus einer großen Genfamilie ist ein weit verbreitetes Phänomen, das als monoallele Expression bezeichnet wird. In dem Blutparasiten Trypanosoma brucei stellt die Expression eines einzigen variablen Oberflächenglykoproteins (VSG) aus einem Repertoire von über 1000 verschiedenen Genen die Grundlage für die Immunevasion dar. Durch einen periodischen Wechsel der VSG Expression (Antigene Variation) bleibt der Parasit vom Immunsystem des Wirtes unerkannt. Die VSG Gene werden aus telomerischen Blutstromform Expressionsstellen (BES) transkribiert, von denen nur eine zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv ist. Die Kontrolle der monoallelen VSG Expression ist somit einer der wichtigsten Virulenzfaktoren von T. brucei.   
Ziel dieser Arbeit war es, die Vorgänge eines transkriptionellen Wechsels zwischen zwei BESs zu beschreiben. Das Ausschalten des aktiven VSGs durch RNA-Interferenz hatte zuvor gezeigt, dass dies nicht zu einer erhöhten Wechselrate führt. Es wurde daher untersucht, welche Auswirkungen das Anschalten einer zweiten BES auf die monoallele Expression hat. Da es bisher keine Möglichkeit gibt, eine inaktive BES gezielt zu aktivieren, wurde ein artifizielles System gewählt, das die gezielte induzierbare Expression eines Gens ermöglicht. Die BESs unterscheiden sich in der Anzahl und Zusammensetzung der Expressionsstellen-assoziierte-Gene (ESAGs), jedoch besitzt jede BES ein telomernahes VSG. Somit wird, bei einer BES Aktivierung, in jedem Fall ein neues VSG exprimiert. Durch die induzierbare Expression eines zweiten VSGs wurde so das Anschalten einer neuen BES simuliert. Mithilfe dieses Systems konnte gezeigt werden, dass das VSG selbst für die Kontrolle der monoallelen Expression verantwortlich ist. Die ektopische Überexpression eines zweiten VSGs führte zu einer graduellen Inaktivierung der BES. Infolge dessen verlangsamte sich der Zellzyklus und die Zellen verblieben bis zu fünf Tage in einem ruhenden Zustand. Genauere Analysen dieses Zustandes zeigten, dass es sich hierbei um ein bisher unbekanntes, reversibles Zwischenstadium zwischen proliferierenden sogenannten Long Slender und arretierten sogenannten Short Stumpy Formen handelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit führten zu einem neuen Modell, das die Kontrolle der monoallelen VSG Expression mit der Entwicklung der Trypanosomen mechanistisch verbindet.
N2  - The exclusive expression of only one gene from a gene family is a common phenomenon, known as monoallelic expression. The blood parasite Trypanosoma brucei evades the host immune system by expressing only one variant surface glycoprotein (VSG) from a repertoire of hundreds of different VSG genes. By periodically switching VSG expression (antigenic variation) the parasites evade the host antibody response. The VSG genes are transcribed from specialized telomeric bloodstream form expression sites (BESs), of which only one is active at any given time. Thus, monoallelic VSG expression is one of T. brucei's most important virulence factors.
The aim of this work was to describe the processes occuring while transcription switches from one BES to another. The depletion of the active VSG by RNA interference (RNAi) was shown previously to have no effect on switching frequency. It was therefore investigated here, which influence the activation of a new BES would have on monoallelic expression. So far, it has not been possible to specifically activate a silent BES. Therefore, an artificial system was chosen which allows for inducible expression of a particular gene. The BESs differ in number and composition of expression site associated genes (ESAGs), but all contain a telomeric VSG gene. Thus, activation of a new BES will inevitably lead to expression of a second VSG. To simulate - in the most straightforward manner - the activation of a new BES, a second VSG was inducibly expressed. Using this system, it was shown that the VSG itself controls its own monoallelic expression. The ectopic overexpression of a second VSG led to a gradual inactivation of the BES. This, in turn, led to a prolonged cell division cycle and the cells remained in a dormant stage for up to 5 days. Further analyzes of this stage revealed a new, reversible intermediate stage between proliferating long slender and arrested short stumpy forms. The results of this work led to a new model that mechanistically links the control of monoallelic VSG expression and development in trypanosomes.
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - VSG
KW  - antigene Variation
KW  - monoallele Expression
KW  - Genexpression
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-90037
ER  -