Etude de la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle du cycle cellulaire des tachyzoïtes de Toxoplasma gondii.

Study of the transcriptional and post-transcriptional regulation of the Toxoplasma gondii tachyzoite cell cycle.

• Auteur / Autrice : Asma Sarah Khelifa
• Direction : Mathieu Gissot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 02/11/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Center for Infection and Immunity of Lille - Centre d’Infection et d’Immunité de Lille - INSERM U 1019 - UMR 9017 - UMR 8204
• Jury : Président / Présidente : Martine Duterque-Coquillaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Moritz Treeck, Clare Harding
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Soldati-Favre, Marc-Jan Gubbels

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle cellulaire

Facteurs de transcription

Régulation de l'expression des gènes

Toxoplasma

Cycle cellulaire

Facteurs de transcription

Toxoplasma gondii

Mots clés libres

Régulation des gènes

Facteurs de transcription

Cycle cellulaire

Toxoplasma

Apicomplexe

Gene regulation

Transcription factors

Cell cycle

Toxoplasma

Apicomplexa

Résumé

Au cours de son cycle de vie complexe, Toxoplasma gondii se différencie en stades de développement distincts. Ces transitions sont associées à des modifications du transcriptome du parasite. Les facteurs de transcription (FT) spécifiques de la famille ApiAP2 jouent un rôle dans la régulation de l'expression des gènes au cours de ces transitions développementales. Les FT de la famille des ApiAP2 se caractérisent par la présence d'un domaine de liaison à l'ADN de l'intégrase Apetala2/ERF similaires à ceux des plantes. Alors qu'il a été démontré que certains FT ApiAP2 jouent un rôle dans le contrôle de la transition développementale du tachyzoïte au bradyzoïte, un grand nombre de ces protéines n'ont pas encore été étudiées. Ainsi, pour la première partie de cette thèse, le rôle biologique de deux FT ApiAP2, TgAP2X-10 et TgAP2III-1 a été étudié. L'effet de TgAP2X-10 et TgAP2III-1 sur la différenciation des bradyzoïtes a été déterminé en utilisant différents modèles de différenciation in vitro. Nous avons également étudié l'effet de la perte de TgAP2X-10 et TgAP2III-1 in vivo chez la souris. Les données accumulées tendent à montrer que ces deux FT pourraient être des régulateurs potentiels de la différenciation des bradyzoïtes. Afin de poursuivre la caractérisation des FT ApiAP2, un troisième FT, TgAP2IX-5 a été étudié. L'étude de cette protéine fait partie de la deuxième partie de ce projet de thèse. Nous avons démontré que TgAP2IX-5 avait un rôle dans la division asexuée du tachyzoïte de T. gondii. Plus précisément, cette protéine contrôle la production des cellules filles lors du cycle cellulaire. La création d'un mutant d'expression conditionnel pour la protéine TgAP2IX-5 nous a permis de montrer que l'absence de cette protéine bloque la division du plaste précisément après son allongement et avant sa ségrégation. En étudiant le transcriptome de ces mutants par RNA-seq, nous avons déterminé que la protéine TgAP2IX-5 régule des centaines de gènes, dont la majorité est adressée au complexe de la membrane interne (IMC) et au complexe apical. TgAP2IX-5 est présent sur de nombreux promoteurs de gènes qui sont nécessaires à la progression du cycle cellulaire et la production des cellules filles. De plus, TgAP2IX-5 contrôle aussi le destin cellulaire en activant des répresseurs bradyzoïtes connus, promouvant ainsi la division cellulaire du tachyzoïte. De manière surprenante, nous démontrons que la réexpression de TgAP2IX-5 réinitie la division du cycle cellulaire, mais le parasite change son mode de division de l'endodyogénie à l'endopolygénie. Des études complémentaires montrent aussi que d'autres domaines protéiques jouent un rôle essentiel dans l'activité biologique de TgAP2IX-5. Dans une troisième et dernière partie de cette thèse, nous démontrons le rôle essential de la protéine TgPP1 dans la production de l'IMC ainsi que dans le cycle cellulaire. Une analyse phospho-protéomique du mutant TgPP1 révèle que la déplétion de cette protéine entraîne la phosphorylation différentielle de plusieurs protéines de l'IMC. Dans l'ensemble, cette étude suggère que la protéine TgPP1 est importante pour contrôler les événements de phosphorylation dans le cycle cellulaire du tachyzoïte.

During its complex life cycle, the T. gondii parasite differentiates into distinct developmental stages. The transition between these life stages is associated with changes in the parasite's transcriptome. In Toxoplasma, it has been demonstrated that specific transcription factors of the ApiAP2 family play a role in regulating gene expression during these developmental transitions. ApiAP2 transcription factors are characterized by the presence of an AP2 domain. These AP2 TFs possess an Apetala2/ERF integrase DNA binding domain similar to those of plants. While certain ApiAP2 TFs have been demonstrated to play a role in controlling the tachyzoite to bradyzoite developmental transition, several remain unstudied. Thus, for the first part of this thesis, the role of two constitutively expressed ApiAP2 TFs, TgAP2X-10 and TgAP2III-1 was studied. The effect of TgAP2X-10 and TgAP2III-1 on bradyzoite differentiation was determined using two in vitro models. We also study the effect of TgAP2X-10 and TgAP2III-1 loss in vivo in mice and demonstrate that these proteins might be potential regulators of bradyzoite differentiation. In an attempt to continue with the characterization of ApiAP2 TFs, a third ApiAP2 TF, TgAP2IX-5 was studied. The study of TgAP2IX-5 represents the second part of this PhD project. TgAP2IX-5 was demonstrated to have a role in asexual cell cycle division of the T. gondii tachyzoite. The conditional depletion of TgAP2IX-5 blocks the progression of the cell cycle at a precise time-point when the plastid is elongated before its segregation. By using RNA-seq, we determined that TgAP2IX-5 differentially regulates hundreds of genes, a majority of which are targeted to the Inner Membrane Complex (IMC) and apical complex. ChIP-seq allowed to identify the promoters of hundreds of genes targeted by TgAP2IX-5 which are necessary for the progression of the budding cycle. In addition, TgAP2IX-5 was demonstrated to activate known bradyzoite repressors. Strikingly, we demonstrate that the re-expression of TgAP2IX-5 re-initiates cell cycle division, yet the parasite switches its mode of division from endodyogeny to endopolygeny. Further studies regarding the elucidation of the different regions of the TgAP2IX-5 protein were carried out and a novel domain was identified and shown to be essential for the function of TgAP2IX-5. In the third and final part of this PhD study, we demonstrated the crucial role of the TgPP1 phosphatase in the cell cycle. The production of the daughter cell IMC and the nuclear cycle is affected in absence of this protein. Phospho-proteomics analysis revealed that the depletion of TgPP1 results in the differential phosphorylation of several IMC proteins. Overall, this study suggests that TgPP1 is important for controlling phosphorylation events within the tachyzoite's cell cycle.