Genetic characterisation of the neglected parasite species Plasmodium malariae and Mansonella sp "DEUX"

Abstract

Despite the major threat that parasitic infections pose to global health, they often remain overlooked, particularly those species that do not account for the highest mortality and morbidity rates. However, the continuous development of molecular technologies has contributed to a growing awareness of the true burden and distribution of those neglected parasites. This thesis focuses on further investigating and characterizing two such parasites, namely Plasmodium malariae and Mansonella sp “DEUX”. P. malariae is the second most abundant human malaria parasite in sub-Saharan Africa. The true prevalence has long been underestimated. To better characterize the genetic diversity of different genotypes within the P. malariae parasite populations we have developed a novel genotyping marker panel based on the two marker regions pmmsp1 F2 and pmtrap. The panel is easily applicable and can be implemented in endemic settings. Using our novel approach, we found a high genetic diversity among P. malariae parasites from Gabon. Additionally, we observed that genotype dynamics are very high, indicating that daily fluctuations in different genotypes is very common for P. malariae. Similar to the underestimated genotype diversity of P. malariae, the true species diversity and prevalence of Mansonella parasites remains unknown. In the Central African Region, including Gabon, Cameroon and the Republic of Congo, different Mansonella species are known to infect humans and great apes. However, these descriptions are mainly based on morphology, as few nucleotide sequences are currently available. Recently, Mansonella sp “DEUX” was identified in Gabonese children for the first time, not knowing whether it represents a new species or a genotype of the sympatric species Mansonella perstans. Morphological studies have not yet been conducted to compare it to other known Mansonella species. Furthermore, a high prevalence of Mansonella sp “DEUX” (35%) was reported among a cross-sectional study population in Gabon, in comparison to other filariae. To clarify the systematics, we have generated the first reference genome for Mansonella sp “DEUX”. A comparison to the whole genome of M. perstans, that we also generated, confirmed that they are two separate species that occur in sympatry. Evolutionary analysis revealed that they separated approximately 778,000 years ago. Using different genetic approaches this thesis has provided a better description of the two neglected parasites. With the development of a genotyping marker panel, which is based on two marker regions only (pmmsp1 F2 and pmtrap), our results contribute to a better understanding of the true diversity of the P. malariae parasite populations. Additionally, we could provide evidence that Mansonella sp “DEUX” is a distinct species and the generation of a reference genome will support further research on the neglected parasite. Both methods presented here can be applied to further samples so that the neglect of the two species can be put to an end.

Parasitäre Infektionen sind eine große Bedrohung für die globale Gesundheit. Die Forschung konzentriert sich jedoch hauptsächlich auf Parasitenarten mit hoher Mortalität und Morbidität, während andere Arten oft übergangen werden. Die kontinuierliche Entwicklung molekularbiologischer Technologien hat jedoch dazu beigetragen, das Bewusstsein für die tatsächliche Belastung und Verbreitung dieser vernachlässigten Parasiten zu schärfen. In diesem Kontext fokussiert sich diese Dissertation auf die weitere Untersuchung und Charakterisierung zweier solcher Parasiten: Plasmodium malariae und Mansonella sp “DEUX“. P. malariae ist der zweithäufigste Malariaparasit, der Menschen in Sub-Sahara Afrika infiziert. Die tatsächliche Prävalenz wurde lange Zeit unterschätzt. Zur besseren Charakterisierung der genetischen Vielfalt der verschiedenen Genotypen innerhalb der P. malariae Parasitenpopulationen, haben wir ein neues Genotypisierungs-Panel entwickelt, basierend auf den Markerregionen pmmsp1 F2 und pmtrap. Es ist einfach anzuwenden und kann daher gut in endemischen Gebieten eingesetzt werden. Innerhalb der untersuchten P. malariae Parasitenproben aus Gabun haben wir mit Hilfe der Marker eine hohe genetische Vielfalt detektiert. Außerdem zeigte sich, dass P. malariae Infektionen meist aus mehreren Genotypen zusammengesetzt sind und somit eine hohe Komplexität aufweisen. Ähnlich wie die unterschätzte Genotypen-Vielfalt von P. malariae, ist auch die tatsächliche Artenvielfalt und Prävalenz von Mansonella Parasiten bisher nur unzureichend beschrieben. In Zentralafrika, einschließlich Gabun, Kamerun und der Republik Kongo, sind verschiedene Mansonella Arten bei Primaten und auch Menschen bekannt. Jedoch beruhen diese Beschreibungen hauptsächlich auf deren Morphologie, da bisher nur wenige, bis keine Nukleotidsequenzen verfügbar sind. Kürzlich wurde bei Kindern in Gabun erstmals Mansonella sp “DEUX“ identifiziert. Es war jedoch unklar, ob es sich dabei um eine neue Art oder einen Genotypen von M. perstans handelt, welche ebenfalls in dieser Region vorkommt. Morphologisch-mikroskopische Untersuchungen zum Vergleich mit anderen Mansonella Arten wurden hierzu bisher nicht durchgeführt. Eine Querschnittsstudie in Gabun ergab eine hohe Prävalenz (35%) von Mansonella sp “DEUX“ im Vergleich zu anderen Filarien. Zur weiteren Klärung der Systematik innerhalb der Gattung Mansonella haben wir das erste bisher veröffentlichte Referenzgenom für Mansonella sp “DEUX“ erstellt. Der Vergleich mit dem Genom von M. perstans zeigt, dass es sich hierbei um zwei getrennte Arten handelt, die in Sympatrie vorkommen. Weitere evolutionäre Analysen ergaben, dass die beiden Arten sich vor ca. 778.000 Jahren voneinander abgespaltet haben. Diese Arbeit trägt durch die Verwendung verschiedener genetischer Ansätze zu einer besseren Beschreibung der beiden vernachlässigten Arten P. malariae und Mansonella sp „DEUX“ bei. Unsere Entwicklung eines Genotypisierungsmarker-Panels verbessert zum einen das Verständnis der genetischen Vielfalt von P. malariae Parasitenpopulation. Außerdem konnten wir nachweisen, dass Mansonella sp “DEUX“ eine separate Art ist. Die Verfügbarkeit eines Referenzgenoms wird die weitere Erforschung dieser vernachlässigten Parasitenart weiter voranbringen. Beide hier vorgestellten Methoden legen die Grundlage für die weitere Erforschung der Parasiten, um die Vernachlässigung der beiden Arten zu beenden.