Pyruvate kinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficies and their association with malaria - population genetics and proteomic studies

A malária é reconhecida como uma das principais forças selectivas a actuar na história recente no genoma humano. Inúmeros polimorfismos genéticos têm sido descritos como protectores contra a gravidade da malária, como o alelo HbS (designado de traço falciforme) e o alelo G6PD A- (associado à deficiência de G6PD). Mais recentemente, também a deficiência de PK foi associada com a protecção contra a malária. Evidências desta associação foram obtidas em estudos com modelos de roedor e estudos in vitro utilizando GV humanos deficientes em PK. Até à data, não foram obtidos dados em populações humanas que revelem esta associação: ainda não foi identificada uma variante de PK com uma prevalência elevada em regiões endémicas de malária e não foram identificadas marcas de selecção na região do gene que codifica para a PK (gene PKLR). Além disso, os mecanismos subjacentes à protecção contra a malária por deficiências enzimáticas dos GV não estão bem esclarecidos. Assim, os objectivos do presente estudo foram: investigar os polimorfismos genéticos humanos com associação com a malária em Cabo Verde; pesquisar marcas de selecção da malária na região do gene PKLR em populações Africanas; determinar a frequência da deficiência em PK e identificar uma eventual variante da enzima que possa estar sob selecção positiva em regiões endémicas de malária; avaliar o efeito das duas deficiências enzimáticas (PK e G6PD) na invasão e maturação do parasita em culturas in vitro de Plasmodium usando GV normais e deficientes; e analisar o perfil proteómico de GV infectados e não infectados, normais e com deficiência (em PK e G6PD), bem como de parasitas isolados de GV tanto deficientes como normais. Em Cabo Verde (área epidémica), não foram identificadas marcas de selecção pela malária, através da análise dos vários polimorfismos. No entanto, quando a análise foi realizada em dois países endémicos (Angola e Moçambique), foram detectadas várias marcas de selecção: a genotipagem de microssatélites (STRs) e polimorfismos de base única (SNPs) localizados na vizinhança do gene PKLR revelou uma diferenciação consideravelmente maior entre as populações Africana e Europeia (Portuguesa), do que a diferenciação determinada aquando da utilização de marcadores genéticos neutros. Além disso, uma região genómica de maior amplitude apresentou um Desequilíbrio de Ligação (LD) significativo no grupo de malária não grave (e não no grupo de malária grave), sugerindo que a malária poderá estar a exercer pressão selectiva sobre a região do genoma humano que envolve o gene PKLR. No estudo que incidiu na determinação da prevalência da deficiência de PK no continente Africano (realizado em Moçambique), esta revelou-se elevada - 4,1% - sendo o valor mais elevado descrito até ao momento a nível mundial para esta enzimopatia. Na pesquisa de mutações que pudessem estar na causa deste fenótipo (baixa actividade de PK), foi identificada uma mutação não sinónima 829G>A (277Glu>Lys), significativamente associada à baixa actividade enzimática. Esta mutação foi também identificada em Angola, São Tomé e Príncipe e Guiné Equatorial, onde a frequência de portadores heterozigóticos foi entre 2,6 e 6,7% (valores que se encontram entre os mais elevados descritos globalmente para mutações associadas à deficiência em PK). Não foi possível concluir acerca da associação entre a deficiência de PK e o grau de severidade da malária e da associação entre o alelo 829A e a mesma, devido ao baixo número de amostras. Os resultados dos ensaios de invasão/maturação do parasita sugeriram que, nos GV com deficiência de PK ou G6PD, a invasão (onde está envolvida a membrana do GV hospedeiro e o complexo apical do parasita) é mais relevante para a eventual protecção contra a malária do que a maturação. Os resultados da análise proteómica revelaram respostas diferentes por parte do parasita nas duas condições de crescimento (GV com deficiência de PK e GV com deficiência de G6PD). Esta resposta parece ser proporcional à gravidade da deficiência enzimática. Nos parasitas que cresceram em GV deficientes em G6PD (provenientes de um indivíduo assintomático), a principal alteração observada (relativamente às condições normais) foi o aumento do número de proteínas de choque térmico e chaperones, mostrando que os parasitas responderam às condições de stress oxidativo, aumentando a expressão de moléculas de protecção. Nos parasitas que cresceram em condições de deficit de PK (GV de indivíduo com crises hemolíticas regulares, dependente de transfusões sanguíneas), houve alteração da expressão de um maior número de proteínas (relativamente ao observado em condições normais), em que a maioria apresentou uma repressão da expressão. Os processos biológicos mais representados nesta resposta do parasita foram a digestão da hemoglobina e a troca de proteínas entre hospedeiro e parasita/remodelação da superfície do GV. Além disso, uma elevada percentagem destas proteínas com expressão alterada está relacionada com as fendas de Maurer, que desempenham um papel importante na patologia da infecção malárica. É colocada a hipótese de que a protecção contra a malária em GV deficientes em PK está relacionada com o processo de remodelação da membrana dos GV pelo parasita, o que pode condicionar a invasão por novos parasitas e a própria virulência da malária. Os resultados da análise do proteoma dos GV contribuirão para confirmar esta hipótese.

Duffy blood group genotypes among malaria patients in Rondônia, Western Brazilian Amazon

We have compared Duffy blood group genotype distribution, as determined by polymerase chain reaction with allele-specific primers, in 68 Plasmodium vivax-infected patients and 59 non-vivax malaria controls from Rondônia, Brazil. Homozygosity for the allele Fy, which abolishes Duffy antigen expression on erythrocytes, was observed in 12% non-vivax controls but in no P. vivax patient. However, no significant association was found between Fy heterozygosity and protection against P. vivax. The Fy x allele, which has recently been associated with very weak erythrocyte expression of Duffy antigen, was not found in local P. vivax patients.

Mercury exposure and malaria prevalence among gold miners in Pará, Brazil

Economic development, including resource extraction, can cause toxic exposures that interact with endemic infectious diseases. Mercury is an immunotoxic metal used in the amalgamation of gold, resulting in both occupational exposures and environmental pollution. A cross-sectional medical survey was conducted in 1997 on 135 garimpeiros in Para, Brazil, because of their risks of both mercury exposure and malaria transmission. Mean levels of blood and urine mercury were well above non-exposed background levels. Twenty-six subjects had malaria parasitemia: Health symptoms consistent with mercury exposure were reported, but neither symptoms nor signs correlated with mercury levels in blood or urine. We did not find a dose response relationship between mercury exposure and likelihood of prevalent malaria infection, but there was a possible reduction in acquisition of immunity that may be associated with conditions in gold mining, including mercury exposure.

Uncovering the role of IFNAR1 in Experimental Cerebral malaria

Dissertation presented the Ph.D degree in Biology

Interaction of malaria parasites with host late endocytic and autophagic pathways is essential for Plasmodium liver stage development

RESUMO: A Malária é causada por parasitas do género Plasmodium, sendo a doença parasitária mais fatal para o ser humano. Apesar de, durante o século passado, o desenvolvimento económico e a implementação de diversas medidas de controlo, tenham permitido erradicar a doença em muitos países, a Malária continua a ser um problema de saúde grave, em particular nos países em desenvolvimento. A Malária é transmitida através da picada de uma fêmea de mosquito do género Anopheles. Durante a picada, os esporozoítos são injetados na pele do hospedeiro, seguindo-se a fase hepática e obrigatória do ciclo de vida. No fígado, os esporozoítos infetam os hepatócitos onde se replicam, dentro de um vacúolo parasitário (VP) e de uma forma imunitária silenciosa, em centenas de merozoitos. Estas novas formas do parasita são as responsáveis por infetar os eritrócitos, iniciando a fase sanguínea da doença, onde se os primeiros sintomas se manifestam, tais como a característica febre cíclica. A fase hepática da doença é a menos estudada e compreendida. Mais ainda, as interações entre o VP e os organelos da células hospedeira estão ainda pouco caracterizados. Assim, neste estudo, as interações entre os organelos endocíticos e autofágicos da célula hospedeira e o VP foram dissecados, observando-se que os anfisomas, que são organelos resultantes da intersecção do dois processos de tráfego intracelular, interagem com o parasita. Descobrimos que a autofagia tem também uma importante função imunitária durante a fase hepática inicial, ao passo, que durante o desenvolvimento do parasita, já numa fase mais tardia, o parasita depende da interação com os endossomas tardios e anfisomas para crescer. Vesiculas de BSA, EGF e LC3, foram, também, observadas dentro do VP, sugerindo que os parasitas são capazes de internalizar material endocítico e autofágico do hospedeiro. Mais ainda, mostramos que esta interação depende da cinase PIKfyve, responsável pela conversão do fosfoinositidio-3-fosfato no fosfoinositidio-3,5-bifosfato, uma vez que inibindo esta cinase o parasita não é capaz de crescer normalmente. Finalmente, mostramos que a proteína TRPML1, uma proteína efetora do fosfoinositidio-3,5-bifosfato, e envolvida no processo de fusão das membranas dos organelos endocíticos e autofágicos, também é necessária para o crescimento do parasita. Desta forma, o nosso estudo sugere que a membrana do VP funde com vesiculas endocíticas e autofágicas tardias, de uma forma dependente do fositidio-3,5-bifosfato e do seu effetor TRPML1, permitindo a troca de material com a célula hospedeira. Concluindo, os nossos resultados evidenciam que o processo autofágico que ocorre na célula hospedeira tem um papel duplo durante a fase hepática da malaria. Enquanto numa fase inicial os hepatócitos usam o processo autofágico como forma de defesa contra o parasita, já durante a fase de replicação o VP funde com vesiculas autofágicas e endocíticas de forma a obter os nutrientes necessários ao seu desenvolvimento.--------- ABSTRACT: Malaria, which is caused by parasites of the genus Plasmodium, is the most deadly parasitic infection in humans. Although economic development and the implementation of control measures during the last century have erradicated the disease from many areas of the world, it remains a serious human health issue, particularly in developing countries. Malaria is transmitted by female mosquitoes of the genus Anopheles. During the mosquito blood meal, Plasmodium spp. sporozoites are injected into the skin dermis of the vertebrate host, followed by an obligatory liver stage. Upon entering the liver, Plasmodium parasites infect hepatocytes and silently replicate inside a host cell-derived parasitophorous vacuole (PV) into thousands of merozoites. These new parasite forms can infect red blood cells initiating the the blood stage of the disease which shows the characteristic febrile malaria episodes. The liver stage is the least characterized step of the malaria infection. Moreover, the interactions between the Plasmodium spp. PV and the host cell trafficking pathways are poorly understood. We dissected the interaction between Plasmodium parasites and the host cell endocytic and autophagic pathways and we found that both pathways intersect and interconnect in the close vicinity of the parasite PV, where amphisomes are formed and accumulate. Interestingly, we observed a clearance function for autophagy in hepatocytes infected with Plasmodium berghei parasites at early infection times, whereas during late liver stage development late endosomes and amphisomes are required for parasite growth. Moreover, we found the presence of internalized BSA, EGF and LC3 inside parasite vacuoles, suggesting that the parasites uptake endocytic and autophagic cargo. Furthermore, we showed that the interaction between the PV and host traffic pathways is dependent on the kinase PIKfyve, which converts the phosphoinositide PI(3)P into PI(3,5)P2, since PIKfyve inhibition caused a reduction in parasite growth. Finally, we showed that the PI(3,5)P2 effector protein TRPML1, which is involved in late endocytic and autophagic membrane fusion, is also required for parasite development. Thus, our studies suggest that the parasite parasitophorous vacuole membrane (PVM) is able to fuse with late endocytic and autophagic vesicles in a PI(3,5)P2- and TRPML1-dependent manner, allowing the exchange of material between the host cell and the parasites, necessary for the rapid development of the latter that is seen during the liver stage of infection. In conclusion, we present evidence supporting a specific and essential dual role of host autophagy during the course of Plasmodium liver infection. Whereas in the initial hours of infection the host cell uses autophagy as a cell survival mechanism to fight the infection, during the replicative phase the PV fuses with host autophagic and endocytic vesicles to obtain nutrients required for parasite growth.

Efficacy of sulfadoxine-pyrimethamine and mefloquine for the treatment of uncomplicated Plasmodium falciparum malaria in the Amazon basin of Peru

In vivo antimalarial drug efficacy studies of uncomplicated Plasmodium falciparum malaria at an isolated site in the Amazon basin of Peru bordering Brazil and Colombia showed >50% RII/RIII resistance to sulfadoxine-pyrimethamine but no evidence of resistance to mefloquine.

Evaluation of an immunochromatography test for malaria diagnosis under different storage conditions

This study aimed to evaluate the second-generation OptiMal test for malaria diagnosis under various storage conditions. It detected all the positive samples, except for two Plasmodium malariae samples. Further research evaluating diverse environmental conditions are important for ICT test applicability in Brazilian malaria areas.

Dynamics and kinetics of natural killer cell cytotoxicity in human malaria as evaluated by a novel stepwise cytotoxicity assay

Malaria causes important functional alterations of the immune system, but several of them are poorly defined. To evaluate thoroughly the natural killer cell cytotoxicity in patients with malaria, we developed a technique capable to assess both the dynamics and the kinetics of the process. For the kinetics assay, human peripheral blood mononuclear cells were previously incubated with K562 cells and kept in agarose medium, while for the dynamics assay both cells were maintained in suspension. NK activity from patients with vivax malaria presented a kinetics profile faster than those with falciparum malaria. NK cytotoxicity positively correlated with parasitemia in falciparum malaria. The dynamics of NK cytotoxicity of healthy individuals was elevated at the beginning of the process and then significantly decreased. In contrast, malaria patients presented successive peaks of NK activity. Our results confirmed the occurrence of alteration in NK cell function during malaria, and added new data about the NK cytotoxicity process.

the liver endoplasmic reticulum in malaria liver infection

Malaria, a disease caused by Plasmodium, represents a major health problem with a still disconcertingly high mortality rate (655 000 malaria deaths were estimated by the World Health Organization in 2012), mainly in Africa [1]. After a bite by an infected Anopheles mosquito occurs, Plasmodium sporozoites reach their target organ, the liver, within minutes. After traversing several hepatocytes, the parasite invades a final one and establishes a parasitophorous vacuole, where it replicates exponentially generating thousands of infective merozoites, the red blood cell infectious forms that are released in the blood stream. The liver stage is the first obligatory phase of malaria infection and, although no symptoms are associated with it, it is absolutely crucial to the establishment of a successful infection.(...)

Unraveling maternal and fetal genetic factors protecting from Pregnancy Associated Malaria in the mouse

Malaria is one of the most devastating diseases in the world. In Plasmodium endemic regions, pregnant women are among the most vulnerable groups. Pregnancy Associated Malaria (PAM) threatens both maternal and foetal lives. Despite differences between human and mouse placentas PAM mouse models recapitulate key pathological features of human PAM. Here we describe new PAM models of mid gestation infection in the C57BL/6 mouse.(...)

Concurrent dengue and malaria in the Amazon region

INTRODUCTION: The Amazon region has extensive forested areas and natural ecosystems, providing favorable conditions for the existence of innumerous arboviruses. Over 200 arboviruses have been isolated in Brazil and about 40 are associated with human disease. Four out of 40 are considered to be of public health importance in Brazil: Dengue viruses (1-4), Oropouche, Mayaro and Yellow Fever. Along with these viruses, about 98% of the malaria cases are restricted to the Legal Amazon region. METHODS: This study aimed to investigate the presence of arboviruses in 111 clinical serum samples from patients living in Novo Repartimento (Pará), Plácido de Castro (Acre), Porto Velho (Rondônia) and Oiapoque (Amapá). The viral RNA was extracted and RT-PCR was performed followed by a Multiplex-Nested-PCR, using Flavivirus, Alphavirus and Orthobunyavirus generic and species-specific primers. RESULTS: Dengue virus serotype 2 was detected in two patients living in Novo Repartimento (Pará) that also presented active Plasmodium vivax infection. CONCLUSIONS: Despite scant data, this situation is likely to occur more frequently than detected in the Amazon region. Finally, it is important to remember that both diseases have similar clinical findings, thus the diagnosis could be made concomitantly for dengue and malaria in patients living or returning from areas where both diseases are endemic or during dengue outbreaks.

Subdoses of primaquine in overweight patients and malaria vivax relapses: report of two cases in the Federal District, Brazil

Two cases of malaria by Plasmodium vivax relapsed after treatment with drugs in doses recommended by the Ministry of Health are presented. Both patients were overweight and were followed in the Federal District, an area considered free from vector transmission of the disease. Radical cure was obtained after medication with the same drugs in weight proportional doses.

A Natural Protective Mechanism Against Malaria

Malaria is an infectious disease of humans and other animals including birds, reptiles and most mammals. It is transmitted via the inoculation of Plasmodium sporozoites into the skin through the bite of an infected female Anopheles mosquito. Although every year, around 700.000 lives are perished, mainly children under the age of 3-5 years old, to Plasmodium infection this deadly parasite has a relatively low efficiency of transmission from mosquitoes into humans.(...)

Host genetic factors in mouse malaria liver stage infection

Fundação para a Ciência e a Tecnologia