Programmed cell death in Plasmodium infected normal and sickle trait red blood cells

Abstract

In the first part of my thesis, I investigated the activation of erythrocyte nonselective cation (NSC) permeability and of sphingomyelinase by Plasmodium falciparum infection. Both are involved in programmed cell death in erythrocytes, also referred to as eryptosis [Lang et al., 2006; Lang et al., 2005], and meet four requirements for parasite growth at the same time: i) Development of an inwardly directed Na+ and an outwardly directed K+ ion gradient across the parasite plasma membrane, this in turn making the parasite dependent on high Na+ and low K+ ion concentration extracellularly [Brand et al., 2003]. ii) The presence of Ca2+ ions in the culture medium and a Ca2+ permeability conferred by a NSC conductance [Brand et al., 2003]. iii) Increased ceramide formation (detected in the blood of P. berghei ANKA infected mice). iv) Activity of parasitic neutral sphingomyelinase and host acid sphingomyelinase, probably to provide ceramide for membrane synthesis [Hanada et al., 2000].

In the second part of my doctoral thesis I investigated differences in the induction of eryptosis in normal (HbA/A) and sickle trait (HbA/S) P. falciparum infected red blood cells (RBCs). The results were as follows: i) P. falciparum did not develop differently in HbA/A and HbA/S RBCs, but infected HbA/S RBCs showed enhanced PS exposure. ii) The host ceramide pathway played only a minor role in causing PS exposure in infected RBCs under normal culturing conditions. iii) Although parasite growth was dependent on ceramide, extragenously applied ceramide inhibited P. falciparum in vitro growth, and more so in HbA/S RBCs than in HbA/A RBCs. iv) Infected HbA/S RBCs secreted more prostaglandin E2 (PGE2) than did infected HbA/A RBCs, probably significantly contributing to the selective advantage of P. falciparum infected sickle cell trait carriers. Increased PGE2 levels are associated with a mild course of malaria infection [Perkins et al., 2001]. v) The increased PGE2 levels enhanced the infection-induced Ca2+ influx into ring-stage infected HbA/S RBCs. This promoted the observed increase in PS exposure on the outer membrane leaflet of infected HbA/S RBCs as compared to infected HbA/A RBCs.

These observations show that the accelerated eryptosis of P. falciparum infected HbA/S RBCs is caused by enhanced activation of a NSC permeability during ring stage. Enhanced PS exposure acts as an 'eat-me' signal for macrophages. Together with other signals [Ayi et al., 2004], it triggers the early recognition and removal of ring-stage infected HbA/S RBCs [Kasinathan, 2007].

Im ersten Teil meiner Doktorarbeit untersuchte ich die Aktivierung einer nichtselektiven Kationenkanalaktivität und von Sphingomyelinase in Plasmodium falciparum infizierten Erythrozyten. Beide Prozesse sind am programmierten Zelltod in Erythrozyten beteiligt, der auch Eryptose genannt wird [Lang et al., 2006; Lang et al., 2005], und erfüllen gleichzeitig vier Bedingungen für das Parasitenwachstum: i) Entwicklung eines einwärts gerichteteten Natrium- und eines auswärts gerichteten Kalium-Ionen-Gradienten über die Parasitenplasmamembran, deshalb war der Parasit abhängig von einer hohen Natrium- und einer niedrigen Kalium- Konzentration im Extrazellulärraum [Brand et al., 2003]. ii) Die Anwesenheit von Calcium-Ionen im Kulturmedium und einer Permeabilität für Calcium-Ionen durch eine nichtselektive Kationenleitfähigkeit [Brand et al., 2003]. iii) Erhöhte Ceramid-Bildung (im Blut von P. berghei ANKA-infizierten Mäusen nachgewiesen). iv) Aktivität einer parasitischen neutralen Sphingomyelinase und einer sauren Sphingomyelinase des Wirtes, wahrscheinlich um Ceramid zur Membransynthese bereitzustellen [Hanada et al., 2000].

Im zweiten Teil meiner Doktorarbeit untersuchte ich Unterschiede in der Induktion der Eryptose in normalen (HbA/A) P. falciparum infizierten Erythrozyten und in infizierten Erythrozyten von heterozygoten Trägern der Sichelzellen-Gens (HbA/S). Ich erzielte folgende Ergebnisse: i) P. falciparum entwickelte sich nicht unterschiedlich in HbA/A- und HbA/S-Erythrozyten, aber infizierte HbA/S-Erythrozyten zeigten erhöhte Phosphatidylserin-Exposition. ii) Der Stoffwechselweg in der Wirtszelle zur Bildung von Ceramid trug unter normalen Kulturbedingungen nur geringfügig zur Phosphatidylserin-Exposition bei. iii) Obwohl das Parasitenwachstum Ceramid-abhängig war, inhibierte von außen hinzugefügtes Ceramid das Wachstum von P. falciparum in vitro, und zwar mehr in HbA/S- als in HbA/A- Erythrozyten. iv) Infizierte HbA/S Erythrozyten sezernierten mehr Prostaglandin E2 (PGE2) als infizierte HbA/A Erythrozyten, und tragen deshalb wahrscheinlich wesentlich zum Selektionsvorteil von P. falciparum infizierten heterozygoten Trägern des Sichelzellen-Gens bei. Erhöhte PGE2-Plasmaspiegel stehen im Zusammenhang mit einem milden Verlauf einer Malariainfektion [Perkins et al., 2001]. v) Der erhöhte PGE2-Spiegel verstärkte den infektions-induzierten Calcium-Ionen-Einstrom in HbA/S-Erythrozyten, die von P. falciparum im Ringstadium infiziert sind. Dies förderte die beobachtete Erhöhung der Phosphatidylserin-Exposition in der äußeren Membranschicht der infizierten HbA/S-Erythrozyten im Vergleich zu infizierten HbA/A-Erythrozyten.

Diese Beobachtungen zeigen, daß die beschleunigte Eryptose von P. falciparum-infizierten HbA/S-Erythrozyten durch erhöhte Aktivierung einer nichtselektiven Kationenpermeabilität während des Ringstadiums verursacht wird. Erhöhte Phosphatidylserin-Exposition wirkt als Freßsignal für Makrophagen. Zusammen mit anderen Signalen [Ayi et al., 2004] bewirkt sie die frühe Erkennung und Beseitigung von im Ringstadium infizierten HbA/S-Erythrozyten [Kasinathan, 2007].

Ayi K, Turrini F, Piga A, Arese P (2004). Enhanced phagocytosis of ring-parasitized mutant erythrocytes: a common mechanism that may explain protection against falciparum malaria in sickle trait and beta-thalassemia trait.

Brand VB, Sandu CD, Duranton C, Tanneur V, Lang KS, Huber SM, Lang F (2003). Dependence of Plasmodium falciparum in vitro growth on the cation permeability of the human host erythrocyte. Cell Physiol Biochem. 13, 347-356.

Hanada K, Mitamura T, Fukasawa M, Magistrado PA, Kurokawa K, Rai G, Sakata D, Hara T, Horri T, Nishijima M (2000). Neutral sphingomyelinase activity dependent on Mg2+ and anionic phospholipids in the intraerythrocytic malaria parasite Plasmodium falciparum. Biochem. J. 346 Pt3, 671-677.

Kasinathan RS (2007). Cation channels in erythrocyte apoptosis and malaria. Dissertation. Fakultät für Biologie, Eberhard-Karls-Universität, Tübingen, Germany.

Lang F, Lang KS, Lang PA, Huber SM, Wieder T (2006). Mechanisms and significance of eryptosis. Antioxid. Redox. Signal. 8, 1183-1192.

Lang KS, Lang PA, Bauer C, Duranton C, Wieder T, Huber SM, Lang F (2005). Mechanisms of suicidal erythrocyte death. Cell Physiol Biochem. 15, 195-202.

Perkins DJ, Kremsner PG, Weinberg JB (2001). Inverse relationship of plasma prostaglandin E2 and blood mononuclear cell cyclooxygenase-2 with disease severity in children with Plasmodium falciparum malaria. J. Infect. Dis. 183, 113-118.