Project 18

Deciphering the regulation of Plasmodium falciparum replication

Ganter, Markus
Dept. of Infectious Diseases, Parasitology

Portugal, Silvia
Dept. of Infectious Diseases, Parasitology

Project description

The Plasmodium falciparum life cycle consists of alternating invasive and replicative stages and parasite proliferation within the red blood cell accounts for all clinical symptoms of malaria.

In the blood stage, P. falciparum displays a remarkable mode of replication termed schizogony: consecutive rounds of DNA replication and nuclear division occur to form a cell with multiple nuclei, before daughter cells are formed. In contrast to other multinucleated cells, nuclei divide autonomously during schizogony. This suggests that the cell-cycle progression is regulated locally, i.e., at the individual nuclei. We recently identified a Plasmodium-specific cell-cycle regulator, CRK4, which is critical for schizogony and which regulates a number of processes including DNA replication, gene transcription and posttranslational histone modification.

Strikingly, we independently identified CRK4 and close to 100 of its regulated proteins as their respective genes showed differences in transcription, when P. falciparum field isolates collected during the dry season (i.e., no transmission in absence of mosquitos) were compared to isolates from the wet season (i.e., high transmission in presence of mosquitos). During the dry season, parasites are found in approx. 30% of patients, yet they do not cause disease. This suggests that these persisting parasites may adopt a different replication rate in the dry season.

To elucidate the regulatory mechanism of P. falciparum replication and to test whether there is plasticity in replication rates, we aim to:

– Identify the signalling cascade that triggers P. falciparum CRK4 activity,
– Investigate if there is seasonal regulation of P. falciparum replication and
– Characterize the function CRK4-regulated candidates, which are differentially expressed in persisting parasites.

To identify the signalling cascade that triggers CRK4, we apply spatially resolved proteomic mapping. Together with the phosphoproteomic profile of CRK4, these data permit the identification of potential upstream regulators, which will be characterized in depth within the SFB1129.

To investigate the replication dynamics of field isolates along the different season, we are determining length of one replicative cycle during the dry vs. the wet season as well as the kinetics of CRK4-regulated transcripts.

A functional characterization of candidates, which are regulated by CRK4 and which show altered transcriptional profiles in dry vs. wet season, will further advance our understanding of P. falciparum replication.

Over all, our project aims to elucidate the regulation of P. falciparum replication at the molecular level and will shed light on replication in the context of persisting malaria infections. This project benefits from synergies with the Frischknecht/Spatz project and together with Schwarz/Lanzer and Bartenschlager/Hofer we aim to integrate our results in mathematical models to inform future experiments.


Der Lebenszyklus von Plasmodium falciparum ist durch eine Abfolge von infektiösen Stadien und sich vermehrenden Stadien gekennzeichnet. Die Vermehrung des Parasiten in roten Blutkörperchen ist für die klinischen Symptome der Malaria verantwortlich.

In diesem Stadium vermehrt sich der Parasit auf einzigartige Weise, Schizogonie genannt: Bevor Tochterzellen entstehen, durchläuft die Zelle zunächst mehrere Runden von DNA-Replikation und Kernteilung und eine Zelle mit vielen Zellkernen wird gebildet. Im Gegensatz zu mehrkernigen Zellen anderer Organsimen teilen sich die Zellkerne in P. falciparum jedoch autonom. Dies lässt vermuten, dass der Zellzyklus, zumindest teilweise, lokal reguliert wird, also auf Ebene der individuellen Zellkerne. Ein zentraler Regulator des Zellzyklus ist die Plasmodium-spezifische Kinase CRK4, deren Funktion wir kürzlich beschrieben haben. CRK4 beeinflusst u.a. DNA-Replikation, Transkription und posttranslationale Modifikation von Histonen.

Beim Vergleich der Transkription von Parasiten, die während der Trockenzeit isoliert wurden (d.h. keine Übertragung, da Moskitos abwesend sind) mit solchen aus der Regenzeit (d.h. Übertragung, da Moskitos anwesend sind) wurde CRK4 und nahezu 100 CRK4-regulierte Proteine unabhängig identifiziert, da die jeweiligen Gene unterschiedlich stark transkribiert wurden. Während der Trockenzeit können Parasiten in ca. 30 % der Patienten nachgewiesen werden, sie lösen aber keine Malariaerkrankung aus. Dies lässt vermuten, dass diese persistierenden Parasiten ihre Vermehrungsrate anpassen um die Zeit ohne Moskitos als Überträger zu überbrücken.

Um die regulatorischen Mechanismen der Replikation von P. falciparum aufzuklären und um zu testen, ob persistierende Parasiten ihre Replikationsraten anpassen können, möchten wir:

– die Signalkaskade identifizieren, die die Aktivität von CRK4 steuert,
– untersuchen, ob die Replikationsraten saisonale Unterschiede zeigen und
– die Funktion von Kandidaten aufklären, die sowohl differenziell transkribiert als auch von CRK4 reguliert werden.

Hierfür benutzen wir verschiedene Methoden, um Proteine in räumlicher Nähe von CRK4 zu markieren und so mögliche ‚up stream’ Regulatoren zu identifizieren und anschließend zu charakterisieren. Wir sammeln Parasiten-Isolate von Malariapatienten zu verschieden Zeitpunkten, um saisonale Unterschiede der Parasitenbiologie zu untersuchen. Darüber hinaus nutzen wir ‚knockout’- und ‚knockdown’-Methoden, um die Funktion von Kandidatengenen aufzuklären.

Im Rahmen unseres Projekts wollen wir die Regulation der Replikation von P. falciparum besser verstehen, sowohl auf molekularer Ebene als auch im Kontext von persistierenden Infektionen. Dieses Projekt profitiert von Synergien mit dem Frischknecht/Spatz Projekt. Zusammen mit Schwarz/Lanzer und Bartenschlager/Hofer wollen wir unsere Ergebnisse in mathematische Modelle einfließen lassen, die dabei helfen künftige Experimente zu entwerfen.


Project Staff

Severina Klaus, PhD student