Einfach erklärt
Malaria wird von mehreren Parasitenarten verursacht, doch manche davon sind viel weniger erforscht als andere. Forschende haben nun ihr Erbgut genauer kartiert – direkt aus Blutproben von Erkrankten, ohne die Parasiten im Labor zu züchten. Die neuen Karten könnten helfen, die Krankheit besser zu erkennen und zu verstehen, wie sich die Parasiten verändern und den Abwehrkräften des Körpers entgehen.
Warum manche Arten kaum erforscht sind
In der Malariaforschung steht oft Plasmodium falciparum im Mittelpunkt. Diese Art verursacht die meisten Todesfälle im Zusammenhang mit der Krankheit. Andere Arten sind deshalb aber keineswegs unbedeutend: Plasmodium ovale und Plasmodium malariae können ebenfalls lange anhaltende Infektionen auslösen und tragen zur Krankheitslast bei. Sie können zudem in Regionen vorkommen, in denen Infektionen mit Plasmodium falciparum zurückgehen. Um beurteilen zu können, wie wirksam die Maßnahmen gegen Malaria sind, müssen Forschende daher auch diese weniger bekannten Erreger verstehen.
Für eine genaue Untersuchung brauchen Forschende verlässliche Informationen über das Erbgut der Parasiten. Gerade bei Arten, die sich nur schwer im Labor vermehren lassen, ist das eine große Herausforderung. Sind die verfügbaren Genomkarten in viele einzelne Abschnitte zerlegt, lässt sich oft nur schwer erkennen, in welcher Reihenfolge diese Abschnitte liegen. Auch einzelne Gene und größere Genfamilien sind dann möglicherweise nicht vollständig zu erfassen. Ein guter Referenzdatensatz muss deshalb mehr bieten als eine lange Abfolge genetischer Bausteine: Er sollte so geordnet sein, dass sich die Lage der Gene und ihre Beziehungen innerhalb der Chromosomen nachvollziehen lassen.
Das Forschungsteam erstellte umfassendere Referenzen für zwei bislang wenig untersuchte Arten und zugleich hochwertige Genomkarten für Plasmodium falciparum. Weil die drei Arten aus derselben geografischen Region stammten, konnten die Forschenden ihre Erbgutsequenzen direkt miteinander vergleichen. So ließen sich Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den Parasiten untersuchen, statt jede Art isoliert zu betrachten.
Vom Blut der Erkrankten zur Chromosomenkarte
Forschende des Wellcome Sanger Institute und des Parasite and Microbe Research and Training Centre in Mali sammelten Blutproben von Menschen, die sich in Faladé in Mali auf natürliche Weise mit Malaria infiziert hatten. Anstatt im Labor gezüchtete Parasiten zu verwenden, gewannen sie das Erbgut direkt aus den Proben. Insgesamt erstellte das Team Genomkarten der Parasiten aus Proben von acht Teilnehmenden.
Bevor das Erbgut sequenziert werden konnte, musste es von den Bestandteilen des menschlichen Blutes getrennt werden. Dazu entfernten die Forschenden menschliche weiße Blutkörperchen sowie nicht infizierte rote Blutkörperchen. Dadurch stieg der Anteil der parasitischen DNA in den Proben. Diese Anreicherung macht die genetischen Signale der Parasiten besser erkennbar – besonders dann, wenn nur wenig Erbgut des Parasiten zur Verfügung steht.
Anschließend nutzte das Team die Langsequenzierung PacBio Ultra-Low-Input HiFi, die für sehr geringe Mengen an Ausgangsmaterial geeignet ist. Lange Sequenzabschnitte erleichtern es, weit auseinanderliegende Teile des Erbguts richtig anzuordnen. Bei kurzen Sequenzstücken ist es dagegen schwieriger, die Abschnitte miteinander zu verbinden – vor allem in besonders komplexen Regionen.
Um auch die Anordnung der Chromosomen möglichst vollständig zu erfassen, ergänzten die Forschenden die Sequenzierung durch das Hi-C-Verfahren. Dabei wird gemessen, welche DNA-Abschnitte sich innerhalb einer Zelle räumlich nahekommen. Das liefert Hinweise darauf, welche Abschnitte zu derselben Chromosomenstruktur gehören und wie sie zueinander angeordnet sind. Durch die Verbindung der langen Sequenzabschnitte mit diesen Informationen über räumliche Nähe konnte das Team die einzelnen Genomstücke zu umfassenderen Chromosomenkarten zusammensetzen.
Was sich an den Chromosomenenden verbirgt
Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört, dass die Forschenden Regionen nahe den Enden der Chromosomen besser auflösen konnten. Diese Bereiche werden als subtelomerische Regionen bezeichnet. In früheren, aus vielen Einzelstücken bestehenden Genomreferenzen waren sie nur schwer zugänglich. Ein Grund dafür ist, dass die DNA dort viele Wiederholungen und große, vervielfachte Genfamilien enthält. Solche Eigenschaften erschweren sowohl das Auslesen als auch die korrekte Anordnung der Sequenz.
Diese Chromosomenenden sind nicht nur wegen ihrer Lage interessant. Sie enthalten Genfamilien, die mit der Wechselwirkung zwischen dem Parasiten und dem Menschen zusammenhängen. Ihre Erforschung könnte dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Infektionen anhalten, wie Parasiten übertragen werden und wie sie der Immunabwehr entgehen. Sind diese Regionen in der Genomkarte klarer erfasst, können Forschende Gene untersuchen, die in früheren Referenzen fehlten oder nur unvollständig abgebildet waren. Außerdem lassen sie sich nun zwischen verschiedenen Arten und Proben vergleichen.
Im Genom von Plasmodium ovale wallikeri fanden die Forschenden mehr als 2.000 Gene aus der PIR-Familie. Diese Gene machen etwa ein Viertel des Genoms dieses Parasiten aus – ein Hinweis darauf, wie stark die Familie in seinem Erbgut vertreten ist. Das Ergebnis schafft eine Grundlage, um die Aufgaben dieser Gene und mögliche Zusammenhänge zwischen ihrer Häufigkeit und den Eigenschaften des Parasiten genauer zu untersuchen. Es bedeutet jedoch nicht, dass die Funktion jedes einzelnen Gens bereits geklärt wäre.
Der Vergleich von Parasiten aus derselben geografischen Region zeigte außerdem umfangreiche genetische Veränderungen in der Nähe der Chromosomenenden. Das lenkt die Aufmerksamkeit auf die Möglichkeit, dass Veränderungen und Neuordnungen des Erbguts dazu beitragen, die Moleküle zu verändern, über die der Parasit mit dem menschlichen Körper in Kontakt steht. Diese Vielfalt könnte beeinflussen, wie das Immunsystem die Parasiten erkennt. Welche Mechanismen dabei genau eine Rolle spielen, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
Genetische Veränderungen als Hinweis auf Tarnung
Gene nahe den Chromosomenenden lassen sich als besonders veränderliche Bereiche des Erbguts betrachten. Der Vergleich der Proben zeigte, dass diese Regionen keineswegs unveränderlich sind: Ihre Anordnung kann sich verschieben, und auch die DNA selbst kann sich verändern. Der Erstautor Sunil Dutta erklärte, die vollständigeren Karten machten sichtbar, wie stark sich Genfamilien an den Chromosomenenden ausgedehnt haben. Veränderungen des Erbguts an diesen Stellen könnten den Parasiten helfen, sich anzupassen und der menschlichen Abwehr zu entgehen.
Diese mögliche Erklärung ist wichtig, weil die Wechselwirkung zwischen einem Parasiten und seinem Wirt nicht unabhängig von den beteiligten Genen stattfindet. Verändern sich Gene, die daran beteiligt sind, kann sich auch ändern, wie der Parasit der Immunabwehr begegnet oder wie lange eine Infektion anhält. Die Genomkarten beweisen jedoch nicht, dass eine bestimmte Veränderung unmittelbar zur Tarnung vor dem Immunsystem führt. Sie liefern genauere Daten und ermöglichen überprüfbare Fragen: Forschende können die Stellen der Veränderungen bestimmen und sie über verschiedene Proben hinweg miteinander vergleichen.
Die Referenzkarten für alle drei Arten schaffen auch eine bessere Grundlage für genetische und evolutionäre Vergleiche. Komplexe Regionen, die zuvor in der Karte fehlten, lassen sich nun im Zusammenhang mit dem jeweiligen Chromosom untersuchen. So können Forschende erfassen, wie sich Genfamilien bei Plasmodium ovale, Plasmodium malariae und Plasmodium falciparum unterscheiden. Das kann Untersuchungen zur Dauer von Infektionen, zur Übertragung und zur Vielfalt der Parasiten unterstützen – Aspekte, die sich mit lückenhaften genetischen Daten nur schwer beurteilen lassen.
Von der Genomreferenz zu Diagnose und Überwachung
Der Nutzen der neuen Karten reicht über die Grundlagenforschung hinaus. Hochwertige Genomreferenzen können dazu beitragen, molekulare Diagnosetests zu verbessern. Solche Tests suchen in einer Probe nach dem Erbgut des Parasiten. Je vollständiger die Referenz ist, desto besser können Forschende geeignete Erkennungsmerkmale für unterschiedliche Arten bewerten. Das hilft auch dabei, Diagnoseverfahren nicht ausschließlich auf Informationen zu stützen, die nur eine einzige der Malaria verursachenden Arten abbilden.
Das ist besonders relevant, weil sich die nicht durch Plasmodium falciparum verursachten Malariaformen mitunter nur schwer diagnostizieren lassen. Außerdem können diese Parasiten auch dort vorkommen, wo die Übertragung von Plasmodium falciparum zurückgeht. Werden sie in den Überwachungssystemen nicht ausreichend erfasst, spiegelt das Gesamtbild der Krankheitsverbreitung womöglich nicht alle vorkommenden Erreger wider. Die neuen Daten könnten deshalb die genetische Überwachung auf weitere Arten ausdehnen und es erleichtern, Veränderungen der Parasiten zwischen verschiedenen Gemeinschaften und Proben nachzuverfolgen.
Die Genomreferenzen können außerdem die Suche nach möglichen Angriffspunkten für Behandlungen unterstützen und Untersuchungen dazu ermöglichen, wie Parasitenpopulationen auf Therapien und Maßnahmen zur Eindämmung der Krankheit reagieren. Werden Sequenzen aus verschiedenen Proben oder Zeiträumen verglichen, können Veränderungen sichtbar werden, die weiter untersucht werden sollten – darunter auch solche, die mit Arzneimittelresistenzen zusammenhängen könnten. Die Studie berichtet allerdings weder von einer neu entdeckten Resistenz noch von einer unmittelbar verfügbaren Behandlung. Sie stellt vielmehr eine genetische Ressource bereit, mit der sich solche Fragen künftig besser erforschen lassen.
Die leitende Forscherin Mara Lawniczak vom Wellcome Sanger Institute sieht in standardisierten Referenzen für diese vernachlässigten Parasiten eine wichtige Lücke in der Malariaforschung geschlossen. Das ist auch für die Planung von Maßnahmen gegen die Krankheit bedeutsam: Wer weiß, welche Arten in einer Gemeinschaft vorkommen, und sie genetisch vergleichen kann, erhält ein vollständigeres Bild, als wenn man nur Plasmodium falciparum betrachtet.
Der nächste Schritt in der Malariaforschung
Die Studie stellt eine neue Ressource bereit, beantwortet aber noch nicht alle Fragen zu diesen Parasiten. Die Genomkarten machen zuvor verborgene Bereiche des Erbguts zugänglich. Um jedoch herauszufinden, welche Aufgaben die stark vervielfachten Gene haben und wie sie Infektionen und Immunreaktionen beeinflussen, ist weitere Forschung nötig. Auch der Vergleich von Proben von acht Teilnehmenden aus einer Region ist ein wichtiger Ausgangspunkt für weitere genetische Untersuchungen, ersetzt aber keine größeren und geografisch breiter angelegten Untersuchungen zur Vielfalt der Parasiten.
Eine besondere Stärke des Ansatzes ist der Nachweis, dass sich Chromosomenkarten aus natürlich entstandenen Infektionen erstellen lassen – ohne darauf angewiesen zu sein, die Parasiten dauerhaft im Labor zu kultivieren. Andere Werkzeuge und Verfahren werden dadurch nicht überflüssig. Der Ansatz eröffnet aber einen praktikablen Weg, Arten zu erforschen, die sich nur schwer vermehren lassen. Mit verbesserten Referenzen können Forschende neue Fragen zu den Unterschieden zwischen den Parasiten untersuchen und Veränderungen verfolgen, die für Diagnose oder Eindämmung der Krankheit wichtig sein könnten.
Dass nun auch weniger erforschte Arten in die genetische Überwachung einbezogen werden können, hat eine größere Bedeutung: Um Malaria zu bekämpfen, muss die Vielfalt der Krankheitserreger berücksichtigt werden – nicht nur die bekannteste Art. Bleiben Plasmodium ovale und Plasmodium malariae in genetischen Referenzdaten oder Überwachungssystemen unberücksichtigt, können wichtige Aspekte des Fortbestehens und der Ausbreitung der Krankheit unklar bleiben. Die Studie bietet eine Grundlage, um diese Lücke zu verkleinern: mit umfassenderen Genomreferenzen, auf denen weitere Forschung aufbauen kann.
Fazit
Ein Team des Wellcome Sanger Institute und des Parasite and Microbe Research and Training Centre in Mali hat aus Blutproben von acht Menschen mit Malaria in Faladé hochwertige Genomkarten für drei Plasmodium-Arten erstellt. Mithilfe langer Sequenzabschnitte und des Hi-C-Verfahrens ordneten die Forschenden das Erbgut auf Chromosomenebene und erschlossen schwer zugängliche Regionen nahe den Chromosomenenden. Besonders auffällig waren mehr als 2.000 Gene der PIR-Familie, die etwa ein Viertel des Genoms von Plasmodium ovale wallikeri ausmachen, sowie umfangreiche genetische Veränderungen an den Chromosomenenden. Die Ergebnisse bekämpfen Malaria nicht unmittelbar. Sie liefern aber neue Werkzeuge und Erkenntnisse, um vernachlässigte Arten besser zu erforschen, Diagnosen und Überwachung weiterzuentwickeln, mögliche Ansatzpunkte für Behandlungen zu untersuchen und die Reaktion der Parasiten auf Gegenmaßnahmen zu beobachten.