Impact of genetic host factors on the in vitro growth of Plasmodium falciparum and the innate immune response towards infected red blood cells

Abstract

Malaria is one of the most important infectious diseases worldwide and is still a major cause of disease and death in many developing countries. Plasmodium falciparum is considered as the strongest selective force in the recent history of the human genome. Vice versa, genetic host factors play an important role in susceptibility to and manifestation of falciparum malaria. In this study, we investigated the impact of Toll-like receptor (TLR) and red blood cell (RBC) polymorphisms on P. falciparum growth and innate immune responses towards P. falciparum-infected red blood cells (iRBCs) to deduce insights in malaria susceptibility and pathophysiology. P. falciparum glycosylphosphatidylinositol induces pro-inflammatory responses mainly via TLR2 forming heterodimers with TLR1 or TLR6. We co-cultivated iRBCs with human mononuclear cells from malaria-naïve donors with different TLR genotypes, and found monocytes with variant TLR1 I602S and TLR6 P249S alleles to produce decreased levels of inflammatory cytokines in response to iRBCs. Curbed, TLR- mediated innate responses might promote the development of high parasite densities and, consequently, severe disease suggesting a functional role of the polymorphisms in malaria pathogenesis. A recently described malaria- protective RBC polymorphism of ATP2B4, encoding the major erythrocytic calcium pump, showed no impact on intraerythrocytic development and growth of P. falciparum. Conversely, a variant allele of Basigin, a receptor essential for RBC invasion, was associated with significantly reduced parasite growth. As main focus of the study, we investigated the effect of α-thalassemia, an extremely common RBC polymorphism in malaria endemic areas known to protect against severe, life-threatening falciparum malaria. To date, cellular and molecular mechanisms involved in this protection remain largely obscure. In the present study, we observed significantly reduced P. falciparum reinvasion rates accompanied by substantially decreased levels of total parasitemia in parasite cultures containing α-thalassemic RBCs. Additionally, co-cultivation of monocytes with normal and α-thalassemic iRBCs, revealed that monocytes produced markedly less inflammatory cytokines when exposed to α-thalassemic iRBCs. Our findings therefore suggest that α-thalassemia confers protection by a combination of reduced parasite multiplication limiting the rapid development of high parasite densities accompanied by a curbed activation of host cells, in particular of monocytes, thereby preventing pathophysiology induced by excessive pro-inflammatory responses. In summary, the present work contributes to a better understanding of the complex host-parasite interplay in malaria by providing novel insights into underlying mechanisms of RBC and TLR polymorphisms associated with differential malaria manifestation. A better knowledge on the molecular basis of malaria pathology may promote the development of novel approaches for anti-malarial intervention.

Die Malaria ist weltweit eine der bedeutendsten Infektionskrankheiten und noch immer eine führende Todesursache in vielen Entwicklungsländern. Es wird angenommen, dass die durch den Erreger Plasmodium falciparum hervorgerufene Erkrankung den stärksten Selektionsdruck in der jüngeren Geschichte des humanen Genoms ausgeübt hat. Umgekehrt spielen genetische Wirtsfaktoren eine zentrale Rolle bei der Anfälligkeit gegenüber der Infektion mit P. falciparum und dem Krankheitsverlauf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Polymorphismen der Toll-like Rezeptoren (TLR) und ausgewählter erythrozytärer (RBC) Polymorphismen auf das Wachstum von P. falciparum und die angeborene Immunantwort gegenüber P. falciparum-infizierter Erythrozyten (iRBCs) ermittelt, um neue Einblicke in die Pathophysiologie der Malaria zu erlangen. P. falciparum Glycosylphosphatidylinositol induziert pro-inflammatorische Antworten hauptsächlich über TLR2, welcher Heterodimere mit TLR1 oder TLR6 bildet. Mononukleäre Zellen von Malaria-naiven Spendern unterschiedlicher TLR- Genotypen wurden mit iRBCs ko-kultiviert. Dabei zeigte sich, dass TLR1 I602S und TLR6 P249S mit einer verminderten monozytären Zytokinantwort einhergingen. Eine abgeschwächte angeborene Immunantwort kann mutmaßlich zur Entstehung hoher Parasitendichten und schweren Krankheitsverläufen beitragen. Ein kürzlich als protektiv beschriebener Polymorphismus in ATP2B4, welches die primäre erythrozytäre Calciumpumpe codiert, zeigte keinerlei Einfluss auf die intraerythrozytäre Entwicklung von P. falciparum. Im Gegensatz dazu war ein variantes Allel von Basigin, ein für die Invasion von P. falciparum essentieller Oberflächenrezeptor, mit signifikant vermindertem parasitärem Wachstum assoziiert. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag auf der α-Thalassämie, eine in Malaria-Endemiegebieten extrem häufige Erythrozytenvariante, die vor schwerer, lebensbedrohlicher Malaria schützt. Bislang sind die zugrundeliegenden zellulären und molekularen Mechanismen weitgehend unklar. In der vorliegenden Arbeit zeigten sich verminderte Reinvasionsraten in α-thalassämischen RBCs und damit erheblich verringerte Parasitendichten. Gleichzeitig zeigte die Ko-Kultivierung von Monozyten mit α-thalassämischen iRBCs im Vergleich zu den Ergebnissen mit normalen Erythrozyten eine signifikante Drosselung der Monozytenantwort in Form inflammatorischer Zytokine. Unsere Ergebnisse legen folglich eine Kombination zweier α-thalassämischer Schutzmechanismen gegenüber der Malaria nahe: eine reduzierte Parasitenvermehrung verhindert die rasante Entstehung hoher Parasitendichten, während die verminderte Aktivierung von Wirtszellen, insbesondere von Monozyten, durch infizierte α-thalassämische Erythrozyten der Pathophysiologie infolge einer exzessiven pro-inflammatorischen Immunantwort entgegenwirkt. Zusammenfassend trägt die vorliegende Arbeit zu einem besseren Verstehen der komplexen Wirt-Parasit-Interaktion bei der Malaria bei, indem sie neue Erkenntnisse zu den funktionellen Mechanismen genetischer Erythrozytenvarianten und TLR-Polymorphismen liefert, die ihrerseits mit veränderter Malaria-Anfälligkeit und Manifestation assoziiert sind. Ein besseres Verständnis der molekularen Ursachen, die zum Krankheitsverlauf beitragen, kann neue Ansatzpunkte für die Bekämpfung der Malaria aufzeigen.