Role of intra- and extra-cellular host miRNAs as regulators of Plasmodium liver stages

Mueller, Ann-Kristin
Dept. of Infectious Diseases – Parasitology

Grimm, Dirk
Dept. of Infectious Diseases – Virology

Malaria remains one of the most devastating infectious diseases in humans, for two reasons. One is that Plasmodium(the causative malaria agent) has evolved efficient means to exploit cellular host mechanisms in order to proliferate. The second are the persisting gaps in our understanding of these pathogen-host interactions, especially in the clinically silent liver stage. Our two labs have recently performed a collaborative project with the aim to dissect this particular step, using a physiologically relevant in vivo mouse model of Plasmodium infection. We specifically focused on the identification of mi(cro)RNAs (small regulatory RNAs that control gene expression in many species) that are dysregulated in livers of infected mice. Interestingly, we found that Plasmodium infection triggers a significant, up to ten-fold increase of a particular miRNAknown to be a key player in innate and adaptive immunity in mammals, miR-155 (Hammerschmidt-Kamper et al., submitted for publication). The results of our joint pilot study suggest two possible scenarios: Either the infected host responds by altering its miRNA transcriptome to fight the parasite, or Plasmodium harnesses miR-155 to reprogram the host immune system.

Within the SFB, we aim to further investigate the interactions of Plasmodium with this host miRNA by pursuing three complementary strategies:

First, we will perform a more comprehensive in vivo analysis of the Plasmodium-induced miR-155dysregulation, including the identification of the cellular origin of miR-155 expression (hepatocytes, Kupffer or endothelial cells).

Second, we will take a reverse approach in which we will first up- or down-regulate miR-155 in a cell-specific manner using a viral gene transfer vector (AAV), before infecting the same animals with Plasmodium. In both cases, we will analyze parasite replication and spread as well as host gene expression. Together, we expect these two synergistic strategies to reveal the miR-155-regulated cellular pathways that underlie and control the liver stage of Plasmodium infection, and to thus improve our fundamental understanding of the parasite’s interplay with its hostin vivo.

To further refine this knowledge, we will pursue a third strategy where we will recapitulate our in vivo data in ex vivo two- or three-dimensional models of a murine liver, to dissect the role of individual cell types and pathways. Beyond our own project, the tools and models that we will establish will also be useful for other SFB members, especially those studying hepatitis viruses in the liver, or HIV infection of immune cells. Our long-term vision is to collaborate with these teams to determine whether miR-155-associated mechanisms are specific for infection with Plasmodium, or whether they rather represent general pathways in the replication and spread of human pathogens.


 

Malaria ist eine verheerende und bislang unbesiegte Infektionskrankheit, und zwar aus zwei Gründen: Zum einen nutzt der Plasmodium-Parasit die biologischen Schwächen des Wirtsorganismus geschickt für seine eigene Vemehrung aus. Zum anderen sind, trotz intensiver Forschung, die Details der verschiedenen Stadien des Parasiten und seiner Interaktion mit dem Wirt noch unverstanden. Insbesondere die klinisch unauffälligen Leberstadien sind zu großen Teilen eine terra incognita. Mit dem Ziel, diesen Schritt im Parasiten-Lebenszyklus genauer aufzuklären, haben unsere Gruppen eine kollaborative Studie in einem physiologisch relevanten in vivo Mausmodell der Plasmodium-Infektion durchgeführt. Unser Fokus lag auf der Identifikation von mi(cro)RNAs (kleine RNAs, die Genexpression in vielen Spezies kontrollieren), die in Lebern infizierter Mäuse dysreguliert sind. Interessanterweise haben wir gefunden, dass Plasmodium-Infektion zu einem signifikanten, bis zu 10-fachen Anstieg einer bestimmten miRNA führt, welche eine zentrale Rolle in der angeborenen und erworbenen Immunität in Säugetieren spielt, miR-155 (Hammerschmidt-Kamper et al., zur Veröffentlichung eingereicht). Die Resultate unserer gemeinsamen Forschung legen deshalb zwei Hypothesen nahe: Entweder reagiert der infizierte Wirtsorganismus durch Veränderung seiner miRNA-Expression, oder der Erreger selbst beeinflusst diese gezielt, um die Immunantwort zu modulieren.

Unser Ziel ist es, diese neu entdeckte Interaktion durch einen dreigliedrigen Ansatz genauer zu untersuchen:

Erstens werden wir eine in vivo Analyse der Plasmodium-induzierten miR-155-Dysregulation durchführen, inklusive der Identifikation der ursächlichen Wirtszellen (Hepatozyten, Kupffer oder endotheliale Zellen).

Zweitens werden wir miR-155 durch Gentransfervektoren zunächst in spezifischen Zellen hoch- oder herunterregulieren und erst danach die Infektion mit Plasmodium vornehmen. Bei beiden Ansätzen werden wir Replikation und Verbreitung der Parasiten in den infizierten Mäusen sowie Veränderungen der Wirtszell-Genexpression messen. Zusammen erwarten wir von diesen beiden synergistischen Strategien neue Erkenntnisse über die miR-155-regulierten zellulären Netzwerke, welche dem Leberstadium von Plasmodium unterliegen und dieses kontrollieren. Dadurch werden diese Arbeiten unser fundamentales Verständnis der Interaktion des Erregers mit seinem Wirt in vivo verbessern.

Um dieses Wissen noch weiter zu vertiefen, werden wir eine dritten Ansatz verfolgen, in dem wir unsere in vivo Studien in ex vivo 2D/3D-Modellen einer Maus-Leber nachvollziehen, um auf diese Weise noch genauer die Rolle der einzelnen Leber-Zelltypen und der darin vorliegenden molekularen Netzwerke charakterisieren zu können. Über unser eigenes Projekt und die Malariaforschung hinaus werden die in unserer Arbeit gewonnenen Werkzeuge und Modelle auch für andere SFB-Mitglieder nützlich sein, insbesondere für jene, welche sich der Studie von Hepatitis-Viren in der Leber und der Interaktion von HIV mit Immunzellen widmen. Unser langfristiges Ziel ist es, in enger Kollaboration mit diesen Gruppen herauszufinden, ob miR-155-assoziierte Mechanismen spezifisch für Plasmodium sind, oder stattdessen generelle Strategien für die Vermehrung und Ausbreitung humanpathogener Erreger repräsentieren.