Révéler la biogenèse et la mobilisation des réserves lipidiques chez Toxoplasma gondii : nouvelles perspectives sur la plasticité métabolique du parasite

Unveiling the biogenesis and mobilisation of lipid storage in Toxoplasma gondii: new insights into parasite metabolic plasticity

• Auteur / Autrice : Sarah Charital
• Direction : Cyrille Botte, Marie-france Cesbron-delauw
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Virologie - Microbiologie - Immunologie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IAB : Institute for Advanced Biosciences (UGA / Inserm U1209 / CNRS UMR 5309)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Apicolipid - Apicolipide - C.BOTTE
• Jury : Président / Présidente : Ludovic Pelosi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyrille Botte, Isabelle Coppens, Francesca Giordano, Frédéric Bringaud, Mohamed-Ali Hakimi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Coppens, Francesca Giordano

Mots clés

Mots clés libres

Lipides

Toxoplasmose

Parasites

Lipid droplet

Toxoplasma

Lipids

Parasites

Goutelette lipidique

Résumé

Apicomplexa est un groupe comprenant des parasites intracellulaires obligatoires responsables de maladies infectieuses et chroniques majeures, dont le parasite Toxoplasma gondii, l'agent infectieux de la toxoplasmose. Pour assurer leur propagation rapide et leur pathogénicité au sein de leur cellule hôte, ces parasites ont besoin de grandes quantités de lipides, acquis grâce au détournement massif des ressources de l'hôte et à la synthèse de novo d'acides gras. Ce parasite peut adapter son métabolisme à un environnement nutritif différent en régulant les activités métaboliques des voies d'acquisition des acides gras : en augmentant la synthèse des acides gras dans des conditions de nutriments riches, ou en en détourant plus dans des conditions de faibles nutriments. À forte concentration, les acides gras libres peuvent devenir cytotoxiques pour les cellules, et certains se révèlent toxiques par eux-mêmes. Pour éviter la mort lipotoxique du parasite, ces acides gras libres doivent être canalisés et séquestrés dans des gouttelettes lipidiques (LD), un organite très conservé composé d'un corps organique comprenant des lipides neutres, principalement des triacylglycérols (TAG) et des esters de cholestérol (CE), et enveloppés d'une monocouche de phospholipides. Ces LDs sont mobilisés en temps voulu pour la biogenèse membranaire et la production d'énergie au cours de la division du parasite, et servent de plate-forme pour le métabolisme des lipides. Ils sont présents dans toutes les cellules nucléées et jouent un rôle critique dans l'interaction hôte-pathogène, ce qui souligne l'importance d'étudier cet organite chez Toxoplasma. La synthèse des LDs est initié dans le réticulum endoplasmique (ER), où les acides gras provenant du parasite ou de son hôte sont activés par une acyl-CoA synthétase (ACS), à travers l'estérification d'un Coenzyme A. Chez Toxoplasma gondii, nous avons identifié 7 ACS putatifs, et nous avons caractérisé deux d'entre eux, TgACS1 et TgACS3. Une fois activés, ils sont ajoutés à un squelette de glycérol générant du diacylglycérol (DAG) et du triacylglycérol (TAG). La formation du TAG est catalysée par une DGAT (diacylglycérol acyltransférase), par estérification d'une chaîne d’acide gras sur un DAG. Chez T. gondii, comme chez l'homme et de nombreux eucaryotes, deux DGATs existent, TgDGAT1 et TgDGAT2, que j'ai caractérisées au cours de mon doctorat. Le TAG s'accumule entre les deux feuillets du réticulum, provoquant un renflement de la membrane où se forme un LD. Cependant, aucun mécanisme moléculaire régulant la taille des LDs n’est connue chez les parasites Apicomplexa. Chez les eucaryotes, l'une des protéines clés est la Seipin, situé sur le site de contact ER-LD et jouant un rôle central dans la croissance des LDs et le trafic des protéines. Nous avons trouvé son homologue chez Toxoplasma gondii, TgSeipin, que j'ai également caractérisée au cours de ma thèse. Enfin, le TAG contenu dans les LDs doit être utilisé par le parasite. Cette mobilisation se fait par lipolyse, permettant l'hydrolyse du TAG et du CE en acides gras libres par des lipases, et/ou par autophagie, via la dégradation de la LD libérant son contenu. Une protéine ancrée au niveau du site de contact entre le réticulum et la LD, que nous avons nommée LD recruteur (TgLDR), contient un domaine CRAL TRIO, connu chez les eucaryotes pour lier de petites molécules lipophiles telles que les phospholipides. Au cours de mon doctorat, j'ai également caractérisé cette protéine pour démontrer son rôle dans la mobilisation des LDs. Mon doctorat se concentre donc sur l’analyse de la biogenèse et de la mobilisation des LDs chez T. gondii, en étudiant plusieurs acteurs impliqués dans ces voies. Ces résultats permettent de mieux comprendre la biosynthèse ainsi que la mobilisation de ces LD naissants chez T. gondii, soulignant l'importance de la biogenèse des LDs pour réguler le flux constant d'acides gras, essentiel à la survie de ces parasites.

Apicomplexa is a phylum of protists comprising obligate intracellular parasites responsible for major infectious and chronic diseases, including the parasite Toxoplasma gondii, the causative agent of toxoplasmosis. To ensure their rapid multiplication and pathogenicity within the host, toxoplasma parasites require large amounts of lipids, through massive scavenging of host resources and de novo fatty acid (FA) synthesis by the parasite. Toxoplasma can adapt its metabolism to face different nutrient environments by regulating the metabolic activities of FA acquisition pathways: increasing the synthesis of FAs under nutrient-rich conditions or increasing scavenging under nutrient-poor conditions. At high concentrations, free FAs (FFAs) can become cytotoxic to cells, and some FAs have been found to be toxic in themselves. To avoid a lipotoxic death of the parasite, these FFAs must be channelled and sequestered into lipid droplets (LDs), a highly conserved organelle consisting of an organic core of neutral lipids, mainly triacylglycerols (TAGs) and cholesterol esters (CEs), surrounded by a monolayer of phospholipids. These LDs are timely mobilised for membrane biogenesis and energy production during parasite division and act as a platform for lipid metabolism. They are found in all nucleated cells and play a critical role in host-pathogen interaction, highlighting the importance of studying this organelle in Toxoplasma. LDs are through to be initiated in the endoplasmic reticulum (ER), where FAs derived from the parasite or its host are activated by an acyl-CoA synthetase (ACS), through the esterification of a coenzyme-A. In Toxoplasma gondii, 7 putative ACSs were identified and we characterized two of them, TgACS1 and TgACS3. These activated coenzyme-A are then added to a glycerol backbone to form lysophosphatidic acid (LPA), phosphatidic acid (PA), diacylglycerol (DAG) and triacylglycerol (TAG). Formation of TAG is catalysed by an acyltransferase DGAT (diacylglycerol acyltransferase), through the esterification of a FA chain onto a DAG. In T. gondii, as in human and many eukaryotes, two DGATs exists, TgDGAT1 and TgDGAT2, that I characterized during my PhD. Eventually, TAG accumulates between the two leaflets of the ER causing a bulge in the ER membrane where formation of a nascent LD occurs. However, how LD size is controlled is poorly understood in Apicomplexa parasites with no clear known molecular mechanisms that influence LD size. In eukaryotes, one of the key protein in LD biogenesis is Seipin, known to be at the ER-LD contact site and play a central role for LD growth and protein trafficking between LD and the ER. We found the homologue of Seipin in Toxoplasma gondii, TgSeipin, containing two transmembrane domains, that I also characterized during my PhD. Finally, TAG contained in LDs needs to be used by the parasite. Mobilization of lipids contained inside the droplet occurs via lipolysis, allowing the hydrolysis of TAG and CE into FFAs through lipases, and/or autophagy, via the degradation of the droplet releasing FFAs. An ER-anchored protein at the contact site between the ER and the LD, that we named LD recruiter (TgLDR), contain a CRAL TRIO (cellular retinaldehyde-binding protein and triple functional domain protein) domain known in eukaryotes to bind small lipophilic molecules such as phospholipids, the main component of membranes. During my PhD, I also characterized this protein to demonstrate its role in LD mobilization. My PhD focuses on deciphering LD biogenesis and mobilization in T. gondii, by studying several actors involved in these pathways. Altogether, these results lead to a better understanding in T. gondii of TAG and LD biosynthesis and some insight of the mobilization of these nascent LDs, highlighting the importance of LD biogenesis to regulate the constant flux of FAs, essential for the survival of these parasites.