Human genetic polymorphisms influencing the risk and manifestation of malaria in India and Africa

Abstract

Malaria is one of the most relevant parasitic diseases and caused by infection with Plasmodium parasites. More than 3 billion people are at risk of Plasmodium infection worldwide. Populations in malaria endemic areas are subject to evolutionary selection of genetic polymorphisms conferring relative protection against the disease. Primarily, those genetic variants affect host erythrocytes. In addition, polymorphisms in genes related to molecules regulating the immune system also influence susceptibility to malaria as well as its pathophysiology. The available knowledge with respect to malaria-related traits is more extensive as regards falciparum malaria than vivax malaria. Moreover, P. vivax, traditionally thought to be benign, is increasingly reported to cause severe malaria, particularly in India. However, the available data are scarce and ambiguous. Similar limitations apply to the extent and spread of antimalarial drug resistance. In Mangaluru, southern India, firstly, we assessed the manifestation pattern of malaria and in particular of P. vivax infection. This study shows that in Mangaluru malaria is mostly uncomplicated and affects predominantly young men from a low-socio-economic background, who are majorly migrant workers from other parts of India. Severe vivax malaria occurs at a rate slightly lower than in falciparum malaria but its low prevalence contrasts with considerably higher figures reported from other parts of the country. Secondly, in a case-control study, we examined the association of polymorphisms in the Duffy antigen receptor for chemokines (DARC) with malaria. DARC is a central component in P. vivax invasion into the red blood cells. DARC 298A carriage increased the odds of malaria per se and more prominently of P. vivax infection. Interestingly, FYB carriage appeared to confer protection against severe falciparum malaria.

We also expanded the existing knowledge on host genetic associations with falciparum malaria in Africa, in particularly among pregnant women and children in Africa. The O blood group was observed to confer protection against falciparum malaria in primiparous Ghanaian women, whereas a common polymorphism in miRNA 146a, rs2910164 G > C was associated with increased odds of malaria in pregnancy. In addition, we examined the association of a common TP53 polymorphism previously suggested to be malaria protective. However, this variant was not associated with falciparum malaria among Ghanaian primiparae or Rwandan children.

As to antimalarial drug resistance, we assessed associated molecular markers in Plasmodium isolates from Africa and India. The present work observed an infrequent occurrence of Kelch 13 gene variants in P. falciparum isolates from Rwanda but detected two mutations (P574L and A675V) associated with artemisinin resistance in Southeast Asia. Among the P. falciparum isolates from India, no K13 variants were present. Sulfadoxine-pyrimethamine (SP) plus artesunate is the current first-line antimalarial in India. Based on the antifolate resistance allele distribution, we assume that SP resistance in the study area is pronounced but not yet intense, thereby limiting the useful therapeutic lifespan of artesunate-SP. Moreover, the near fixation of the pfmdr1 allele combination N86-184F-D1246 suggests that artemether-lumefantrine, introduced in the northeastern parts of this country, is not a promising alternative in the study area. Chloroquine (CQ) is primarily used to treat vivax malaria and pvmdr1 variants have been associated with CQ resistance. However, the virtual absence of such variants among the P. vivax isolates as well as almost complete parasite clearance within 2-3 days suggest that CQ is still effective.

Overall, the present thesis provides new insights or expands the present knowledge on the roles of host genetic variation in various study settings which, in turn, may contribute to a better understanding of malaria pathophysiology. Moreover, this study improves the remarkably limited characterisation of the manifestation of malaria in India. Most lastly, the data show the threat of the effectiveness of the first-line antimalarials in India and Rwanda.

Die Malaria ist eine der bedeutsamsten parasitären Krankheiten und wird durch die Infektion mit Plasmodium-Parasiten verursacht. Weltweit sind mehr als 3 Milliarden Menschen von einer Plasmodium-Infektion bedroht. Populationen in Malaria-Endemiegebieten unterliegen einer evolutionären Selektion genetischer Polymorphismen, die einen relativen Schutz gegen die Krankheit bieten. In erster Linie betreffen diese genetischen Varianten Wirtserythrozyten. Darüber hinaus beeinflussen Polymorphismen in Genen, die das Immunsystem regulieren, die Anfälligkeit sowie die Pathophysiologie der Malaria. Das diesbezügliche Wissen ist hinsichtlich der P. falciparum-Malaria deutlich umfassender als für die Malaria durch P. vivax. Unabhängig davon wird zunehmend, insbesondere aus Indien, berichtet, dass die traditionell gutartig geltende Infektion mit P. vivax nicht selten schwere Malaria auslöst. Die dazu verfügbaren Daten sind jedoch nicht ausreichend und uneindeutig. Ähnliches gilt für das Ausmaß und die Verbreitung von Resistenzen gegenüber den gängigen Antimalaria-Medikamenten.

In Mangaluru, Südindien, untersuchten wir zunächst das Manifestationsmuster der Malaria und insbesondere der P. vivax-Infektionen. Diese Studie zeigt, dass Malaria in Mangaluru größtenteils unkompliziert verläuft und vorwiegend junge Männer mit niedrigem sozioökonomischen Hintergrund betrifft, bei denen es sich hauptsächlich um Wanderarbeiter aus anderen Teilen Indiens handelt. Schwere Malaria tritt nur selten auf und geringfügig häufiger bei Infektion mit P. falciparum als bei Infektion mit P. vivax. Dies steht jedoch im Gegensatz zum berichteten, deutlich höheren Anteil schwerer P. vivax-Malaria in anderen Landesteilen. Zweitens untersuchten wir in einer Fall-Kontroll-Studie die Assoziation von Polymorphismen im Duffy-Antigen-Rezeptor für Chemokine (DARC) mit der Malaria. DARC ist eine zentrale Komponente bei der Invasion von P. vivax in die Erythrozyten. Die Ergebnisse zeigen, dass Träger der DARC 298A-Variante ein signifikant erhöhtes Risiko für Malaria haben, insbesondere für eine P. vivax-Infektion. Interessanterweise scheinen Träger der Duffy-Variante FYB gegen schwere Malaria durch P. falciparum geschützt zu sein.

Wir erweiterten auch das vorhandene Wissen über genetischen Assoziationen zwischen Wirtspolymorphismen und der P. falciparum-Infektion in Afrika bei Schwangeren und Kindern. Die Untersuchungen zeigen, dass die ABO-Blutgruppe O bei ghanaischen Erstgebärenden Schutz gegen die P. falciparum-Malaria verleiht, während ein häufiger Polymorphismus von miRNA-146a, rs2910164 G>C, mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit einer Malaria in der Schwangerschaft assoziiert ist. Zusätzlich untersuchten wir die Assoziation einer Variante des Tumorsuppressorproteins TP53, von der zuvor angenommen wurde, dass sie vor Malaria schützt. Dieser Polyorphismus war jedoch nicht mit der P. falciparum-Malaria bei ghanaischen Primiparae oder ruandischen Kindern assoziiert.

Hinsichtlich der Malariamedikamentenresistenz untersuchten wir assoziierte molekulare Marker in Plasmodium-Isolaten aus Afrika und Indien. Wir beobachteten ein seltenes Auftreten von Kelch-13-Genvarianten in P. falciparum-Isolaten aus Ruanda, entdeckten jedoch zwei Mutationen (P574L und A675V), die in Südostasien mit Artemisininresistenz einhergehen. Unter den P. falciparum-Isolaten aus Indien waren keine Kelch-13-Varianten vorhanden. Sulfadoxin-Pyrimethamin (SP) plus Artesunat ist die derzeitige Erstlinientherapie der Malaria in Indien. Die Verteilung der Antifolatresistenz-Allele legt nahe, dass die SP-Resistenz im Untersuchungsgebiet ausgeprägt, aber noch nicht intensiv ist, wodurch die sog. therapeutische Lebensdauer von Artesunat-SP begrenzt scheint. Darüber hinaus lässt die fast vollständige Fixierung der pfmdr1-Allelkombination N86-184F-D1246 darauf schließen, dass Artemether-Lumefantrin, das im Nordosten Indiens eingesetzt wird, im Untersuchungsgebiet keine vielversprechende Alternative darstellt. Chloroquin (CQ) wird in erster Linie zur Behandlung von P. vivax-Malaria eingesetzt, und pvmdr1-Varianten wurden mit Resistenz in Verbindung gebracht. Das beinahe vollständige Fehlen solcher Varianten unter den P. vivax-Isolaten sowie die fast vollständige Parasiten-Eliminierung nach CQ-Therapie legen nahe, dass CQ im Studiengebiet immer noch wirksam ist.

Insgesamt liefert die vorliegende Dissertation neue Erkenntnisse oder erweitert das derzeitige Wissen über die Rolle von humangenetischen Polymorphismen in verschiedenen Studienumgebungen, was wiederum zu einem besseren Verständnis der Pathophysiologie der Malaria beitragen kann. Darüber hinaus verbessert diese Studie die bemerkenswert begrenzte Charakterisierung der Manifestation der Malaria in Indien. Zudem zeigen die Daten die Bedrohung der Wirksamkeit der Erstlinien-Therapeutika in Indien und Ruanda auf.