Proteomic remodelling of human red blood cells and their extracellular vesicles across the intraerythrocytic cycle of Plasmodium falciparum

Malaria is een ziekte die zich verbergt in de meest basale bouwstenen van ons bloed. De parasiet die hiervoor verantwoordelijk is, Plasmodium falciparum, dringt rode bloedcellen binnen en verandert deze in fabrieken voor zijn eigen voortplanting. Decennialang wisten wetenschappers al dat de parasiet niet alleen in deze cellen leeft; hij hervormt ze actief door honderden van zijn eigen eiwitten naar het oppervlak te exporteren om te helpen bij het plakken aan de wanden van bloedvaten en om te voorkomen dat ze door de milt worden gefilterd. We weten ook dat rode bloedcellen niet de stille, lege zakken zijn die ze ooit werden geacht te zijn. Ze dragen kleine genetische instructies genaamd microRNA's, die de manier waarop andere cellen zich gedragen kunnen beïnvloeden, en ze laten kleine blaasjes vrij, genaamd extracellulaire vesikels, in de bloedbaan. Deze blaasjes fungeren als boodschappers, die eiwitten en genetisch materiaal dragen van de cel die ze heeft gemaakt naar andere cellen in het lichaam. De grote vraag is geweest hoe de infectie de werkelijke eiwitten binnen de rode bloedcel en in de blaasjes die deze vrijgeeft, verandert, en of de genetische instructies die in de cel worden gevonden, daadwerkelijk worden gebruikt om nieuwe eiwitten te bouwen.

Een onderzoeker zette zich in om dit te beantwoorden door te kijken naar de samenstelling van de eiwitten in rode bloedcellen tijdens verschillende stadia van de malaria-infectie. Zij kweekten culturen van menselijke rode bloedcellen, waarbij sommige met de malariaparasiet werden geïnfecteerd terwijl andere gezond werden gelaten. Zij wachtten tot de parasieten twee specifieke stadia van hun levenscyclus hadden bereikt: het ringstadium, wat een vroeg stadium in de infectie is, en het trofozoietstadium, wat meer volwassen is. Vanuit deze culturen verzamelden zij de rode bloedcellen zelf en ook de minuscule blaasjes, of vesikels, die de cellen hadden vrijgegeven in de omringende vloeistof. Met behulp van een krachtige techniek die duizenden eiwitten tegelijkertijd weegt en identificeert, brachten zij nauwkeurig in kaart welke eiwitten aanwezig waren in de gezonde cellen, de geïnfecteerde cellen en de blaasjes van beide groepen. Zij deden dit drie keer voor elke groep om de resultaten betrouwbaar te maken.

Het eerste dat de onderzoeker ontdekte, was dat de aanwezigheid van de parasiet zelf gemakkelijk te volgen was. In de gezonde cellen vonden zij bijna geen parasiteit-eiwitten. Naarmate de infectie vorderde naar het ringstadium, verscheen er een klein aantal parasiteit-eiwitten. Tegen de tijd dat de parasiet het volwassen trofozoietstadium bereikte, was het aantal parasiteit-eiwitten aanzienlijk gegroeid, waardoor ze een groter deel van het totale eiwit in de cel uitmaakten. Dit bevestigde dat de parasiet succesvol zijn eigen machinerie binnen de gastheer aan het bouwen was. De onderzoeker identificeerde ook zeven specifieke parasiteit-eiwitten die erom bekend staan de gastheercel te herstructureren, en zij vonden dat deze eiwitten niet alleen binnen de cel bleven, maar ook werden vrijgegeven in de kleine blaasjes buiten de cel. Dit suggereert dat de parasiet actief zijn gereedschappen naar de bloedbaan stuurt.

Wat misschien wel het meest verrassend was, was hoe weinig het menselijke deel van de cel veranderde. Rode bloedcellen hebben geen kern, wat betekent dat ze geen nieuwe genetische instructies kunnen maken of gemakkelijk nieuwe eiwitten kunnen bouwen als reactie op een dreiging. De onderzoeker verwachtte dat de infectie een massale verandering zou triggeren in de menselijke eiwitten binnen de cel, maar zij vond het tegenovergestelde. De lijst van menselijke eiwitten bleef grotendeels hetzelfde, waarbij geen enkel menselijk eiwit een statistisch significante verandering in hoeveelheid liet zien. De cel vormde geen eiwitgebaseerde verdediging. In plaats daarvan waren de veranderingen subtiel en gericht op de interne structuur van de cel, met een lichte toename van de eiwitten die het cel-skelet vormen en een afname van het hemoglobine dat zuurstof transporteert. Dit gebrek aan een dramatische eiwitrespons is logisch voor een cel die zijn vermogen heeft verloren om nieuwe genetische instructies te lezen.

Het verhaal veranderde volledig toen de onderzoeker naar de kleine blaasjes, of vesikels, keek die de cellen vrijgaven. Hoewel de cellen zelf grotendeels onveranderd bleven, waren de blaasjes die zij uitzonden zeer verschillend. In de blaasjes van geïnfecteerde cellen vond de onderzoeker een enorme en gecoördineerde toename van eiwitten die behoren tot het complementsysteem. Het complementsysteem is een groep eiwitten in ons bloed die het immuunsysteem helpt bij het bestrijden van infecties door indringers te markeren en ontsteking te triggeren. In de blaasjes van geïnfecteerde cellen stegen drieentwintig verschillende componenten van dit systeem gezamenlijk, terwijl eiwitten die het immuunrespons normaal gesproken kalmeren, niet toenamen. Tegelijkertijd daalden de eiwitten die als antilichamen voor het lichaam fungeren in de blaasjes. Dit betekent dat de geïnfecteerde rode bloedcel niet alleen zijn eigen binnenkant verandert; het past actief de boodschap aan die het naar de rest van het lichaam stuurt, door de boodschapper-blaasjes te laden met immuun-activerende eiwitten.

De onderzoeker controleerde ook of de genetische instructies, of microRNA's, die zij eerder in deze cellen hadden gevonden, daadwerkelijk werkten om de eiwitten binnen de cel te veranderen. Zij hadden verschillende microRNA's geïdentificeerd die voorspeld werden doelwit te zijn van genen die betrokken zijn bij de immuunrespons. Echter, toen zij zoch even naar de eiwitten die die genen zouden produceren, vonden zij er geen van. De immuun-eiwitten waren er simpelweg niet. Dit bevestigt dat de microRNA's niet optreden binnen de rode bloedcel om het eigen gedrag te veranderen. In plaats daarvan wijst het bewijs op een andere rol: deze microRNA's worden waarschijnlijk in de blaasjes verpakt en naar buiten gestuurd om op andere cellen in het lichaam in te werken. De rode bloedcel, niet in staat om zijn eigen eiwit-samenstelling te veranderen, verandert in plaats daarvan de samenstelling van de berichten die het naar buiten stuurt.

De studie concludeert dat het hoofdeffect van de malaria-infectie op de rode bloedcel niet een verandering is in waar de cel uit bestaat, maar een verandering in wat de cel vrijgeeft. De cel verzamelt de eigen eiwitten van de parasiet en herstructureert haar interne skelet, maar haar meest significante actie is het vrijgeven van blaasjes gevuld met immuun-stimulerende eiwitten. Deze bevinding helpt te verklaren hoe een enkele geïnfecteerde cel het hele lichaam kan beïnvloeden, wat potentieel bijdraagt aan de ernstige ontsteking die wordt gezien bij zware gevallen van malaria. Het onderzoek suggereert dat de geïnfecteerde rode bloedcel minder fungeert als een slachtoffer dat probeert zichzelf te verdedigen, en meer als een omroep die signalen uitzendt die het gedrag van het immuunsysteem en andere cellen in de circulatie veranderen.