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Project 1

Deciphering receptor-ligand interplay during rapid motility of Plasmodium sporozoites

Frischknecht, Friedrich
Dept. of Infectious Diseases – Parasitology

Spatz, Joachim
Institute of Physical Chemistry (PCI) & MPI-IS

News

8 December 2016 | Leibniz-Prize 2017 awarded to Prof. Dr. Joachim P. Spatz by the German Science Foundation (DFG)

Joachim Spatz is appointed since 2000 as Professor for Biophysical Chemistry at the Institute for Physical Chemistry at the University of Heidelberg. From 2004-2015 he was also Director of the Max-Planck-Institute for Intelligent Systems [...]

Information

Plasmodium sporozoites are the forms of the malaria parasite injected into the skin by the mosquito. Sporozoites are highly polarized and motile cells. Sporozoite motility is essential for the spread of malarial parasites from the vector to the host. Sporozoites migrate rapidly through the dermis where they can enter into lymphatic or blood vessels. Only those that enter blood capillaries can progress on their journey to the liver where the parasite differentiates into thousands of progeny. How sporozoites find and associate with blood capillaries is not known either. Our project therefore aims to answer two critical and interconnected questions:

  1. How do proteins on the sporozoite surface interact with proteins of the host to achieve motility? To this end we will use nano-structured substrates with specific peptides and proteins linked to the surface.
  1. How does the parasite recognize blood capillaries? To this end we will generate a new in vitro blood capillary surrogate consisting of 3D micropillar arrays manufactured to allow the linkage of proteins and peptides specifically to micropillars.

For movement sporozoites need to be attached to a substrate, which can be either two- or three-dimensional. Unlike higher eukaryotic cells sporozoites migrate without changing their shape using a motility type termed gliding motility. Sporozoites can reach peak speeds of over 5 µm/s, which is ten times faster than the fastest cells in our bodies. Motility is mediated by molecular motor localized underneath the plasma membrane. This motor is linked to membrane proteins that span the plasma membrane. Sporozoites harbour at least three trans-membrane proteins, that could play a role in sticking to the substrate and thus to parasite movement. Recent results from our groups suggested for the first time a different function of two of these proteins depending on their location on the sporozoite surface (Hegge et al., 2012) and a possibly promiscuous use of binding partners on the substrate (Perschmann et al., 2011) to mediate adhesion and motility. However, the contributions of the individual proteins, their different domains as well as the nature of the natural ligands for motility are not known. Thus, our project aims at providing the missing link between the parasite surface and the substrate.

 


Durch den Biss einer Stechmücke können die Sporozoiten des Malariaerregers Plasmodium in die Haut injiziert werden. Sporozoiten sind hochpolarisierte und bewegliche Zellen. Die Bewegung der Sporozoiten ist für die erfolgreiche Übertragung des Malariaparasiten von der Mücke auf den Wirt essentiell. Sporozoiten bewegen sich schnell durch die Dermis, wo sie entweder in Lymph- oder Blutgefäße eindringen können. Nur jene, die in Blutgefäße eindringen, können ihre Reise zur Leber fortsetzen, wo sich die Parasiten in tausende Nachkommen differenzieren. Wie Sporozoiten Blutgefäße finden und sich mit ihnen assoziieren, ist nicht bekannt. Unser Projekt will deswegen zwei voneinander abhängige Fragen beantworten:

  1. Wie interagieren Proteine auf der Oberfläche der Sporozoiten mit Proteinen des Wirts um die schnelle Bewegung zu generieren? Zu diesem Zweck werden wir nano-strukturierte Substrate benutzen, die mit spezifischen Peptiden und Proteinen versehen sind.
  1. Wie erkennt der Parasit Blutkapillaren? Zu diesem Zweck werden wir einen neuen Array herstellen, der Blutgefäße mittels drei-dimensionaler mikrostrukturierter Säulen simulieren wird. An diese Mikrosäulen werden wir spezifisch Peptide und Proteine verlinken.

Zur Fortbewegung müssen sich Sporozoiten an ein Substrat anheften, welches entweder zwei- oder drei-dimensionaler Art sein kann. Anders als Zellen höherer Eukaryoten wandern Sporozoiten, ohne dass sie ihre Form verändern, mittels einer Bewegungsform, die sich Gleitbewegung nennt. Sporozoiten können Spitzengeschwindigkeiten von über 5 µm/s erreichen. Sie sind also eine Größenordnung schneller als die meisten kriechenden Zellen in unserem Körper. Die Fortbewegung hängt von einem molekularen Motor ab, der über Membranproteine, welche die Plasmamembran durchspannen an das Substrat gekoppelt ist. Sporozoiten haben mindestens drei Transmembranproteine, welche eine Rolle bei der Substratadhäsion und der Fortbewegung spielen. Experimente unserer Gruppen zeigten außerdem zum ersten Mal eine unterschiedliche Funktion von zwei dieser Proteine abhängig von deren Lokalisation auf der Sporozoitenoberfläche (Hegge et al., 2012) sowie eine mögliche promiskuitive Nutzung von Substraten (Perschmann et al., 2011), um Adhäsion und Bewegung zu erreichen. Allerdings sind die spezifischen Rollen der einzelnen Proteine und ihrer verschiedenen Domänen sowie die Identität der natürlichen Liganden nicht bekannt. Deshalb fokussiert sich unser Projekt darauf, das fehlende Glied zwischen Parasit und Substrat zu identifizieren.

 

 


Project Staff

AG Frischknecht: (from left standing) front: Hirdesh Kumar (guest student), Freddy Frischknecht (Group leader), Kartik Bane (PhD student), Konrad Beyer (PhD student), Madlen Konert (MSc student, alumna), mid: Miriam Ester (lab manager), Mirko Singer (PhD student), Dennis Klug (PhD student), Catherine Moreau (PhD student), Katharina Quadt (PhD student), Anna Battista (PhD student, AG Schwarz), Mendi Muthinja (PhD student), back: Noa Dahan (Postdoc), Ross Douglas (Postdoc), Gunnar Mair (group leader), not in the picture: Jessica Kehrer (engineer), Benjamin Spreng (PhD student).

Julia Sattler, Postdoc

Julia Sattler, Postdoc

Mendi Muthinja, PhD

Mendi Muthinja, PhD

Dennis Klug, PhD

Dennis Klug, PhD

Plasmodium sporozoites form within an oocyst by ‘budding’ from the plasma membrane (blue). Other highlighted structures: Microtubules: green; nucleus: light blue; rootlet fiber: brown; inner membrane complex: yellow; secretory organelles: cyan (micronemes) and magenta (rhoptries).
Partially formed sporozoites highlighted by GFP-labelling of a plasma membrane resident protein.
Scanning electron micrograph of a Plasmodium sporozoite. Note the slender shape of the 11 micrometer long cell and its curvature.
‘Slime’-trails left on the substrate by migrating sporozoites. Note their circular shape.
Electron micrograph showing Plasmodium sporozoites (yellow) between regularly structured micropillars of different sizes (magenta: 10 µm thick; cyan: 8 µm thin).