Überprüfung des Lebenszyklus eines wichtigen menschlichen Parasiten

„Wir interessieren uns schon seit einiger Zeit für das romantische Leben des Parasiten Cryptosporidium“, sagt Boris Striepen, Wissenschaftler an der Penn’s School of Veterinary Medicine.

Cryptosporidium ist eine der Hauptursachen für Durchfallerkrankungen bei kleinen Kindern auf der ganzen Welt. Der Darmparasit trägt zur Kindersterblichkeit bei und verursacht Mangelernährung und Wachstumsverzögerung. Wie sich ein Parasit wie dieser reproduziert und seinen Lebenszyklus vervollständigt, hat erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit von Kindern.

„Es ist das Produkt des Parasitengeschlechts, das hier Infektionserreger ist, eine Spore, die durch kontaminiertes Wasser übertragen wird“, sagt Striepen. „Wenn Sie also seine Fähigkeit zum Sex unterbrechen, würden Sie den Kreislauf von Übertragung und Infektion unterbrechen.“

In einer neuen Zeitung in PLOS-Biologie, Striepen und Kollegen in seinem Labor gehen neue Wege, um zu verstehen, wie sich Cryptosporidium in einem Wirt reproduziert. Mithilfe eines fortschrittlichen Bildgebungsverfahrens konnten die Wissenschaftler den gesamten Lebenszyklus im Labor beobachten. Sie fanden heraus, dass der Parasit drei Zyklen der asexuellen Replikation durchläuft und dann direkt zu männlichen und weiblichen Geschlechtsformen wechselt. Ihre Beobachtungen widerlegen ein in den 1970er Jahren eingeführtes Zwischenstadium und stimmen gut mit der ursprünglichen Beschreibung des Arztes und Parasitologen Edward Tyzzer überein, der diesen Erreger vor mehr als einem Jahrhundert entdeckte.

„Was wir gezeigt haben, widerspricht dem, was Sie heute in den meisten Lehrbüchern sehen, einschließlich der Beschreibung auf der Website des Centers for Disease Control and Prevention“, sagt Striepen. „Es ist wirklich ein supereinfacher Lebenszyklus, der in einem einzigen Wirt in drei Tagen abgeschlossen ist und nur drei Charaktere hat: asexuelle Zellen, männliche Zellen und weibliche Zellen.“

Andere Parasiten, wie der Malariaparasit Plasmodium, ein „Cousin“ von Cryptosporidium, haben kompliziertere und langwierigere Wege, um einem insgesamt ähnlichen Lebenszyklus zu folgen. Während Crypto seinen Lebenszyklus in einem Wirt abschließt, bewegen sich die meisten Malariaparasiten zwischen zweien: einer Mücke, wo die sexuelle Fortpflanzung des Parasiten stattfindet, und einem Menschen, wo seine asexuelle Fortpflanzung stattfindet.

„Cryptosporidium ist ein großartiges Modell, um die Entwicklung von Parasiten zu untersuchen; man kann analoge Schritte zu dem sehen, was beim Malariaparasiten passiert, aber es ist viel einfacher, weil alles in nur drei Tagen in einem Wirt passiert, und wir können es in einfachen Zellkulturen beobachten, “, sagt Striepen.

In früheren Arbeiten über Cryptosporidium hatten Striepen und Kollegen herausgefunden, dass die sexuelle Fortpflanzung für den Parasiten notwendig erscheint, um von einem Wirt zu wechseln, um einen anderen zu infizieren, aber auch, um sich während einer chronischen Infektion in einem Wirt zu halten. Das Blockieren des Entwicklungsfortschritts und des Parasitengeschlechts stellt sich daher als Strategie dar, um eine Infektion zu heilen oder zu verhindern.

Cryptosporidium ist ein winziger einzelliger Parasit, der in die Darmzellen seiner Wirte eindringt und sich dort vermehrt. Um einen genaueren Blick auf das Geschehen zu werfen, entwickelten die Forscher eine mikroskopische Bildgebungstechnik für lebende Zellen, um das Fortschreiten des Parasiten über mehrere Tage in Zellkulturen zu verfolgen. Mithilfe von Gentechnik fügten sie dem Kern jedes Parasiten eine fluoreszierende Markierung hinzu, die es ihnen ermöglichte, die Replikation des Parasiten in Echtzeit zu beobachten und seine verschiedenen Lebenszyklusstadien zu unterscheiden.

Was sie sahen, war, dass die Parasiten „bis drei zählten“, sagt Striepen. Anstatt auf Umweltreize zu reagieren, folgten die Parasiten einem starren, eingebauten Plan. Nach der Infektion einer Kultur durchlief der Parasit drei Zyklen asexueller Fortpflanzung. Jeder Zyklus dauerte etwa 12 Stunden, in denen sich der Parasit in der Wirtszelle niederließ und sich selbst replizierte, was zu acht neuen infektiösen Parasiten führte. Diese wurden dann freigesetzt, um umliegende Wirtszellen zu infizieren.

Nach diesen drei Verstärkungswellen ändert sich ihr Schicksal schlagartig und sie verwandeln sich in einem Prozess, der ebenfalls etwa 12 Stunden dauerte, entweder in männliche oder weibliche Gameten oder Geschlechtszellen. Bei der Verfolgung einzelner Parasiten und ihrer Nachkommen fanden die Forscher keine Hinweise auf eine spezialisierte Zwischenform, die von vielen Lehrbüchern angenommen wird und eine direkte Entwicklung demonstriert.

Interessanterweise schien der Parasit seinem zukünftigen Schicksal vorbestimmt zu sein und trug diesen Plan auf eine noch nicht verstandene Weise von einer Wirtszelle in die nächste.

Die Forscher waren fasziniert zu sehen, dass Männchen und Weibchen aus den infektiösen Formen hervorgehen, die von denselben asexuellen Parasiten freigesetzt werden. „Einer der wirklich interessanten Aspekte der sexuellen Identität hier ist, dass sie nicht vererbt und fest im Genom verankert ist, sondern viel fließender ist“, sagt Striepen. „Es gibt eine asexuelle Zelle, die sich in genetisch identische Klone teilt, und dann werden diese Klone irgendwie spontan männlich oder weiblich, was zu dramatisch unterschiedlichen Zellformen und Verhaltensweisen führt.“

Zukünftige Forschung wird sich auf den molekularen Mechanismus der Bindung konzentrieren, um zu verstehen, wie dieser Lebenszyklus in die Biologie des Parasiten einprogrammiert ist. Das Verständnis des Lebenszyklus von Cryptosporidium ist entscheidend, wenn man darüber nachdenkt, wie man einen Impfstoff oder eine Therapie für die Krankheit entwickelt, sagt Striepen.

„Wie Zellen Entscheidungen treffen und Entwicklungspläne ausführen, ist eine der grundlegendsten Fragen in der Biologie. Cryptosporidium bietet ein handhabbares System, um diesen Mechanismus bei Parasiten besser zu verstehen. Hoffentlich können wir Erkenntnisse gewinnen, die zum Verständnis von Kryptosporidiose und Malaria beitragen und wegweisend sind zu neuen dringend benötigten Interventionen für diese wichtigen Krankheiten.“