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Characterization of motility and erythrocyte adherence as virulence factors in African trypanosomes

Charakterisierung der Motiliät und Erythrozytenadhärenz als Virulenzfaktoren bei Afrikanischen Trypanosomen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-115053
  • 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 thePathogens 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.show moreshow less
  • 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, dieDie 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Joel Ltilitan Bargul
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-115053
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Markus Engstler, Prof. Dr. Thomas Dandekar
Date of final exam:2015/07/03
Language:English
Year of Completion:2018
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Motiliät; Trypanosomen; Erythrozyt; Adhäsion; Virulenzfaktor
Tag:Erythrozytenadhärenz
African trypanosomes; Antibody clearance; erythrocyte adherence; motility
Release Date:2018/07/03
Licence (German):License LogoCC BY: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung