Understanding how the host nutrient environment influences the lipid metabolism and survival of Apicomplexa parasites
Etude pour comprendre comment l'environnement nutritionnel de l'hôte influence le métabolisme lipidique et la survie des parasites apicomplexes
Résumé
Apicomplexa comprise of unicellular pathogens that cause major diseases such as toxoplasmosis and malaria. These obligate intracellular parasites heavily depend on lipid metabolism for their survival within their hosts. Their lipid synthesis relies on an essential combination of fatty acids (FAs), obtained from de novo synthesis and host scavenging. Current data, points at the parasites being able to channel a constant, and otherwise toxic, flux of host FA to lipid storage; only to be used when needed, during parasite division stages. This suggests that the biogenesis of parasite lipid storage, i.e., lipid droplets (LD), and their lipid/FA content mobilization is a crucial process for the parasite. Little is known about the generation/utilization of the parasite LDs. The processing and assembly of FA into major LD lipid class, triacylglycerol (TAG), are key processes for parasite survival.My PhD work focused on answering questions surrounding the lipid metabolism of Toxoplasma gondii tachyzoite and Plasmodium falciparum blood stage parasites. I did this by focussing on three protein families namely, acyl-CoA synthetases (ACSs), phospholipases and acyltransferases (ATs). Using lipidomics and metabolite flux analysis, we show that these proteins have key roles in the mobilization or biogenesis of LDs. This work reveals that their metabolic activity depends on host nutrient availability.I confirm the function of an ACS in activating FA for metabolic utilization by the parasite. Specifically, TgACS1 functions as a TAG mobilizer and provides FAs to the parasite under low host nutrient environment, and more particularly during extracellular conditions. This protein is unique in that it contains a bubble-gum domain imperative for FA β-oxidation. Complementation studies now show insight into this previously understudied process in Toxoplasma parasites.I then investigated another ACS, TgACS3, an essential protein that when absent leads to parasites death. This protein becomes even more crucial at a high host nutrient environment. Fluxomic analyses reveal that this protein has a preference in the metabolism of exogenous FFA that are usually redirected to TAG (LD) and PL synthesis. These ‘back-to-back’ papers illustrated the diverse functionality of the ACS protein family in T. gondii parasites and how their nutrient-dependent roles are central to TAG/LD metabolism.Continuing with the theme of the nutrient adaptability, I studied a patatin-like phospholipase in schizont stage P. falciparum parasites. By lipidomic analyses I show this mitochondrial protein is responsible for the hydrolyses of phosphatidylglycerol to a lysobisphosphatidic acid. This balance seems to be important for schizont to ring conversion under lipid starvation. This work exemplifies that the lyso-phospholipid and phospholipid balance is crucial for the advancement of asexual parasites, but by changing their metabolic programme parasites can evade death but only in a nutrient rich environment.The third and final study of my PhD, investigated the function of two acyltransferases; glycerol-3-phosphate acyltransferase (TgGPAT) and diacylglycerol acyltransferase 2 (TgDGAT2) that both localize to the endomembrane system and cytoplasm of the Toxoplasma parasite. TgGPAT and TgDGAT2 are essential in different nutrient conditions, but both play a pivotal role in neutral lipid synthesis, specifically LD biogenesis (TAG formation). The loss of these proteins resulted in an accumulation of free FAs that cannot be ‘detoxified’ by incorporating them into lipid droplets, leading to parasite death.
Le phylum des parasites apicomplexes comprend des pathogènes unicellulaires qui sont à l’origine de maladies telles que la toxoplasmose et le paludisme. La survie de ces parasites obligatoires unicellulaires est intimement liée à leur métabolisme lipidique. Leur anabolisme requiert une combinaison essentielle d’acides gras qui sont obtenu par néosynthèse ou détourné des ressources de son hôte. Les recherches actuelles indiquent que les parasites sont capables de canaliser les flux d’acides gras en provenance de l’hôte vers un mécanisme de stockage pour les utiliser lors du cycle reproductif et pour éviter les effets toxiques d’une accumulation.Mon travail de thèse s’est concentré sur le métabolisme lipidique des parasites Toxoplasma et Plasmodium falciparum au stade tachyzoite de la phase sanguine de leur cycle de vie. J’ai travaillé sur trois familles de protéines ; les acyl-CoA synthétases (ACSs), les phospholipases et les acyltransférases (ATs). En utilisant des méthodes lipidomique et d’analyse de flux métaboliques, nous montrons que ces protéines jouent un rôle clé dans la mobilisation ou la biogenèse des gouttelettes lipidiques. Ce travail indique que l’activité métabolique des parasites dépend de la disponibilité des nutriments pour l’hôte.J’ai confirmé la fonction d’une ACS dans l’activation des acides gras pour permettre leur intégration aux voies métaboliques du parasite. La protéine TgACS1 opère comme un mobilisateur de triglycérols pour fournir une source d’acides gras au parasite en conditions de stress nutritif, comme celles rencontrées lors de la phase extracellulaire du parasitaire.J’ai ensuite étudié une autre ACS, TgACS3 qui est essentielle à la survie du parasite. La fonction de cette protéine est cruciale dans un environnement riche en nutriments pour l’hôte. L’analyse des flux métaboliques a révélé que cette protéine utilise préférentiellement les acides gras libres d’origine exogène, qui sont habituellement redirigés vers la synthèse de triglycérols pour former des gouttelettes lipidiques et la synthèse de phospholipides. Nos deux publications successives illustrent les fonctions diverses des ACS chez le parasite T. gondii et la dépendance nutritive de leurs fonctions dans le métabolisme des triglycérols/gouttelettes lipidiquesEn continuant sur le thème de l’adaptabilité nutritive, j’ai étudié une phospholipase « patatin-like » présente lors du stade schizont chez les parasite P. falciparum. En utilisant des approches lipidomiques, nous avons démontré que cette protéine mitochondriale est responsable de l’hydrolyse du phosphatidylglycérol en acide lysobisphosphatidique. Cet équilibre semble important pour le passage du stade schizont au stade annulaire dans des conditions de carence lipidique. Ce travail illustre l’importance de la balance lyso-phospholipide/phospholipide pour la progression du développement asexuel du parasite ainsi que sa capacité à moduler son métabolisme pour survivre, mais seulement dans un environnement riche en nutriments.La troisième et dernière étude conduite lors de ma thèse explore les fonctions de deux protéines : la glycérol-3-phosphate acyltransférases (TgGPAT) et la diacylglycérol acyltransférases 2 (TgDGAT2), qui sont toutes deux localisées dans le système endomembranaire et le cytoplasme des parasites Toxoplasma. TgGPAT et TgDGAT2 sont essentiels, dans des conditions nutritives différentes, mais jouent toutes deux un rôle primordial dans la synthèse des lipides neutre et notamment pour la synthèse de triglycérols. La déplétion de ces protéines entraine une accumulation d’acides gras libres non-activés qui ne peuvent être intégrés aux gouttelettes lipidiques et deviennent toxiques, entrainant la mort des parasites.
Origine : Version validée par le jury (STAR)