Toxoplasmose: Die Evolution der Infektionsmaschinerie

Toxoplasmose ist eine weltweit verbreitete Infektionskrankheit, die durch den einzelligen Parasiten Toxoplasma gondii verursacht wird. Beim Menschen ist eine Infektion vor allem für Schwangere gefährlich, da sie zu Missbildungen beim Kind führen kann. Ebenso wie der eng verwandte Erreger der Malaria – Plasmodium falciparum – und andere verwandte Arten besitzt T. gondii spezielle Organellen, sogenannte Rhoptrien und Mikroneme, um die Wirtszelle zu infizieren. Ein Team um Professor Markus Meissner, Leiter des LMU-Lehrstuhls für Experimentelle Parasitologie, und Professor Joel Dacks von der University of Alberta (Kanada) hat nun die Evolution dieser Infektionsmaschinerie untersucht und ein Organellen-spezifisches Protein identifiziert, das ein vielversprechendes Ziel für neue therapeutische Ansätze sein könnte.

Im Lauf ihrer Evolution entwickelten die Parasiten sowohl spezielle Organellen wie die Rhoptrien und Mikroneme als auch eine ganze Proteinmaschinerie, die notwendig ist, um Produktion und Funktion der Organellen zu gewährleisten. Die sogenannte Organellen-Paralogie-Hypothese (OPH) besagt, dass die heutige Vielfalt von Zell-Organellen darauf beruht, dass bestimmte Gene, die die Organellenidentität codieren, während der Evolution vervielfältigt wurden und anschließend diversifizierten. „Um ihre spezifischen Strukturen zu erzeugen, mussten die Parasiten einige Proteine umfunktionieren und auch neue Proteine hinzufügen“, erklärt LMU-Parasitologin Elena Jimenez-Ruiz.

Kombination von Bioinformatik und Laboranalysen

Um zu untersuchen, in welchem Ausmaß und auf welche Weise die Vielfalt der Organellen in den Apicomplexa – der Organismen-Gruppe, zu der T. gondii und P. falciparum gehören – entstand, kombinierten die Forschenden umfangreiche bioinformatische Genanalysen und molekulare zellbiologische Methoden. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 18 Kandidaten-Proteine identifizieren, die mit der Entwicklung neuer Organellen und deren Proteinmaschinerie in den Apicomplexa korrelieren.

„Für eines dieser Proteine, das als ArlX3 bezeichnet wird, konnten wir dann experimentell nachweisen, dass es an der Bildung der Mikroneme und Rhoptrien bei T. gondii entscheidend beteiligt ist“, sagt Jimenez-Ruiz. „Ohne ArlX3 können sich die Parasiten nicht mehr vermehren.“ Da ArlX3 nur bei den Parasiten vorkommt, nicht aber in menschlichen Zellen, könnte das Protein nach Ansicht der Forschenden eine vielversprechende Zielstruktur für neue therapeutische Optionen darstellen. Zudem könnten mithilfe ihrer Methoden möglicherweise noch weitere spezifische Protein-Untergruppen identifiziert werden, die wichtige Einblicke in die Zellbiologie der Parasiten geben.

Christen M. Klinger, Elena Jimenez-Ruiz, Tobias Mourier, Andreas Klingl, Leandro Lemgruber, Arnab Pain, Joel B. Dacks, Markus Meissner: Evolutionary analysis identifies a Golgi pathway and correlates lineage-specific factors with endomembrane organelle emergence in apicomplexans. Cell Reports 2024