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Rhodesain is the lysosomal cathepsin L-like cysteine protease of T. brucei rhodesiense, the causative agent of Human African Trypanosomiasis. The enzyme is essential for the proliferation and pathogenicity of the parasite as well as its ability to overcome the blood-brain barrier of the host. Lysosomal cathepsins are expressed as zymogens with an inactivating pro-domain that is cleaved under acidic conditions. A structure of the uncleaved maturation intermediate from a trypanosomal cathepsin L-like protease is currently not available. We thus established the heterologous expression of T. brucei rhodesiense pro-rhodesain in E. coli and determined its crystal structure. The trypanosomal pro-domain differs from non-parasitic pro-cathepsins by a unique, extended α-helix that blocks the active site and whose interactions resemble that of the antiprotozoal inhibitor K11777. Interdomain dynamics between pro- and core protease domain as observed by photoinduced electron transfer fluorescence correlation spectroscopy increase at low pH, where pro-rhodesain also undergoes autocleavage. Using the crystal structure, molecular dynamics simulations and mutagenesis, we identify a conserved interdomain salt bridge that prevents premature intramolecular cleavage at higher pH values and may thus present a control switch for the observed pH-sensitivity of pro-enzyme cleavage in (trypanosomal) CathL-like proteases.
Rhodesain is the lysosomal cathepsin L-like cysteine protease of Trypanosoma brucei rhodesiense, the causative agent of Human African Trypanosomiasis. The enzyme is essential for the proliferation and pathogenicity of the parasite as well as its ability to overcome the blood–brain barrier of the host. Lysosomal cathepsins are expressed as zymogens with an inactivating prodomain that is cleaved under acidic conditions. A structure of the uncleaved maturation intermediate from a trypanosomal cathepsin L-like protease is currently not available. We thus established the heterologous expression of T. brucei rhodesiense pro-rhodesain in Escherichia coli and determined its crystal structure. The trypanosomal prodomain differs from nonparasitic pro-cathepsins by a unique, extended α-helix that blocks the active site and whose side-chain interactions resemble those of the antiprotozoal inhibitor K11777. Interdomain dynamics between pro- and core protease domain as observed by photoinduced electron transfer fluorescence correlation spectroscopy increase at low pH, where pro-rhodesain also undergoes autocleavage. Using the crystal structure, molecular dynamics simulations, and mutagenesis, we identify a conserved interdomain salt bridge that prevents premature intramolecular cleavage at higher pH values and may thus present a control switch for the observed pH sensitivity of proenzyme cleavage in (trypanosomal) CathL-like proteases.
Die afrikanische Schlafkrankheit (HAT), übertragen durch die Tsetse Fliege und ausgelöst durch den einzelligen Parasit Trypanosoma brucei, wird vor über 100 Jahren entdeckt. Diese unbehandelt immer tödlich verlaufende Erkrankung zählt zu den Neglected Tropical Diseases. Es existiert keine Impfung und die Behandlung ist nebenwirkungsreich. Das weltweite Forschungsaufkommen zu diesem Thema wird von 1900 bis 2016 anhand von Metadaten untersucht, die aus dem Web of Science Core Collection (Clarivate Analytics) extrahiert wurden. Die 5079 Publikationen werden mittels bibliometrischer Parameter ausgewertet. Diese umfassen chronologische Publikationsparameter, Analysen der Länder, Institutionen, Autoren, Fachzeitschriften, Fachbereiche, Kooperationen und Geschlechterparität. Die Analyse zeigt ein aufkommendes Forschungsinteresse der Kolonialmächte Anfang des 20. Jahrhunderts in den okkupierten Koloniegebieten Afrikas. Zu dem Zeitpunkt als der Erreger entdeckt wird, grassiert eine Epidemie der Ost-und Westafrikanischen Schlafkrankheit. Mit Beginn des Ersten Weltkrieges brechen die Publikationszahlen ein. Erst ab den 1970ern steigen die Artikelzahlen kontinuierlich. Die Vernachlässigung der Erkrankung resultiert in einer Epidemie mit geschätzt 300.000 Fällen (1998). In den letzten Jahren verringerte sich die Anzahl der Neuinfektionen erheblich, im Jahr 2016 werden 2184 Fälle gemeldet. Zwischen 1964 und 2013 kommt es zu einer mehr als 11-fachen Steigerung der Publikationen. Ab 1980 nehmen die Zitierungen sprunghaft zu, wahrscheinlich konnten viele neue Erkenntnisse aufgrund der hohen Prävalenz gewonnen werden. Der meistzitierte und produktivste Fachbereich ist die Biochemistry and Molecular Biology. Der Anteil Pharmacology and Pharmacy nimmt kontinuierlich zu. Die Popularität könnte auf 2 Faktoren zurückgeführt werden, den steigenden Bedarf an neuen Medikamenten und den Einfluss der WHO. 2009 wird NECT als Kombinationstherapie zugelassen, 2018 folgt Fexinidazole. Das durchschnittliche Literaturverzeichnis vergrößert sich, ebenso die Forschungsgruppen, denn die durchschnittliche Autorenzahl steigt von 2,5 (1975) auf 8,03 (2014). Die Zahl der internationalen Kooperationsartikel wird innerhalb der letzten 30 Jahre versechsfacht. Die publikationsstärkste Nation ist die USA, gefolgt von
Großbritannien, weiteren westeuropäischen Staaten sowie Kenia und Nigeria. 36% der 25 produktivsten Länder sind afrikanische. Gemessen an ihren ökonomischen Daten ist die Forschungsleistung extrem hoch. Unter den 15 produktivsten Institutionen ist als einziges afrikanisches das International Livestock Research Institut (Nairobi) vertreten. Diese Forschungseinrichtung wird durch Stiftungen wie Wellcome Trust finanziell unterstützt, welche bei mehreren hundert Publikationen als Funding Agency dient. Zwei weitere außeruniversitäre Institutionen zählen zu den produktivsten: Das Center of Infectious Disease Research (USA) sowie das Institute of Tropical Medicine Antwerp (Belgien). Die zehn produktivsten Länderkooperationen finden innereuropäisch oder mit den USA statt, darunter existiert eine europäisch-afrikanische Kollaboration (ITM Antwerp, Ministry for für Public Health (DR Kongo)). Bei Analyse der europäisch-afrikanischen Kooperationen fällt auf, dass diese mit der ehemaligen Kolonialpolitik korrelieren könnten. Die meisten afrikanischen Nationen publizieren in Kooperationen, eine Ausnahme bildet Nigeria. Sie veröffentlichen nur 18,7% der Artikel in Zusammenarbeit. Sie sind das Land mit dem höchsten BIP der ausgewerteten afrikanischen Nationen. Der produktivste Autor ist E. Pays der an der Université Libre de Bruxelles forscht. Der meistzitierte Autor G.A.M. Cross von der Rockefeller University ist Verfasser von zwei der meistzitierten Artikel. Die erfolgreichsten Wissenschaftler stehen eher am Ende ihrer Karriere und fungieren meist als Letztautoren und als Leiter einer Einrichtung. Obwohl in den letzten Jahren eine zunehmende Geschlechterparität auf dem Forschungsgebiet identifiziert werden konnte, ist die Chancengleichheit für Frauen abhängig vom Land. In Brasilien überwiegt als einzige Nation der Anteil weiblicher Autoren, während Japan den geringsten Frauenanteil besitzt. 11,2% der Artikel erscheinen in der Fachzeitschrift Molecular and Biochemical Parasitology und deckt somit die beiden meistzugewiesenen Themenfelder ab. Infektiöse Erkrankungen, die vor allem Drittweltländer mit geringen finanziellen Möglichkeiten betreffen, müssen im Interesse der Weltgemeinschaft weiter intensiv erforscht werden. Um dies zu ermöglichen ist eine Finanzierung und Stärkung der Wissenschaft in den betroffenen Ländern vor Ort nötig.