Thèse sur l'étude des mécanismes épigénétiques qui contrôlent le développement sexuel de Toxoplasma gondii

Thesis on the study of the epigenetic mechanisms that control the sexual development of Toxoplasma gondii

• Auteur / Autrice : Martina Shahinas
• Direction : Mohamed-Ali Hakimi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Virologie - Microbiologie - Immunologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IAB : Institute for Advanced Biosciences (UGA / Inserm U1209 / CNRS UMR 5309)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Host-pathogen Interactions & Immunity to Infection - Toxoplasmose & Hôte-parasite coevolution - MA. HAKIMI

Mots clés

Mots clés libres

Toxoplasma gondii

Épigénétique

Développement sexuel

Toxoplasma gondii

Epigenetics

Sexual development

Résumé

Le phylum Apicomplexa réunit de nombreux parasites unicellulaires animaux et humains ; comme ceux du genre Plasmodium, l'agent du paludisme, qui tue environ un demi-million de personnes chaque année ou Toxoplasma, responsable de la Toxoplasmose, une infection généralement inapparente ou bénigne chez l'homme sauf en cas d'immunodépression (SIDA, malade greffé...) ou lors de transmission materno-fœtale (à l'origine de la toxoplasmose congénitale). Ces maladies ont encore un impact majeur sur la santé mondiale en raison de la capacité de ces parasites à coopter plusieurs hôtes, dont l'Homme, pour leur transmission et leur persistance. Pour les deux parasites, chaque transition de développement dans leur cycle de vie est accompagnée par l'expression d'un répertoire spécifique de gènes. Curieusement, les génomes apicomplexes se distinguent par un manque relatif de facteurs de transcription canoniques trouvés chez d'autres eucaryotes. Mais ils ont compensé ce manque par une expansion au cours de l'évolution d'une famille unique de facteurs de transcription d'origine végétal qui se distingue par la présence d'un domaine de liaison à l'ADN de type Apetala2 (AP2). Plusieurs de ces facteurs apicomplexes AP2 (ApiAP2) se sont avérés être les moteurs moléculaires des transitions au cours cycle de vie parasitaire, comme AP2-G, le principal inducteur de la différenciation sexuelle chez P. falciparum, dont l'expression est maintenue au silence pendant la réplication asexuée. De nombreuses études ont contribué à souligner chez les apicomplexes que leur cycle de vie, leur transmission and leur virulence sont déterminés par des mécanismes épigénétiques. Il a été aussi décrit des dialogues moléculaires entre les facteurs ApiAP2 et les modulateurs épigénétiques qui garantissent la fidélité des programmes transcriptionnels au cours du cycle de vie parasitaire. Ce projet capitalise sur la découverte du régulateur épigénétique MORC chez les parasites apicomplexes, une famille de protéines agissant sur la compaction de la chromatine chez les plantes et les animaux. MORC joue un rôle cardinal dans l'engagement vers les stades sexuels chez T. gondii. En effet, TgMORC s'associe à de multiples facteurs de transcription ApiAP2 et réprime les gènes impliqués dans la différenciation sexuelle. Cette découverte importante représente un changement de paradigme dans l'étude de la répression génique médié par l'hétérochromatine chez les apicomplexes. À cet égard, P. falciparum PfMORC a été trouvé dans un complexe qui se lie aux promoteurs des gènes var, une famille de 60 gènes qui codent pour l'antigène de surface variant le plus important impliqué dans la virulence du parasite. En utilisant une approche multidisciplinaire basée sur les techniques de omics, nous explorerons dans deux parasites apicomplexes différents les mécanismes moléculaires par lesquels MORC se lie à la chromatine, la compacte et réprime l'expression génique, en particulier les régions télomériques et les gènes de virulence var. Nous étudierons également la contribution du réseau de facteurs de transcription AP2 qui agit en aval du MORC pour guider les trajectoires développementales. Nos données préliminaires illustrent comment la protéine MORC joue un rôle clé dans la régulation de la virulence, la transmission, voire la quiescence de ces parasites. La protéine MORC est aussi peut être impliquée dans le maintien de l'intégrité génomique via la protection des séquences télomériques. L'éclairage sur le modus operandi et la fonction des ApiMORCs nous révélera des voies qui pourraient être ciblées avec des thérapies et ainsi apportés des alternatives aux traitements actuels. Par conséquent, ce projet de recherche a des implications directes pour l'objectif Santé, Bien-être et Développement Durable, qui vise à mettre fin aux épidémies de maladies transmissibles, y compris le paludisme.

The related Apicomplexa parasites Toxoplasma gondii and Plasmodium falciparum are the causative agents of the human diseases toxoplasmosis and malaria, respectively. These diseases still have a major global health impact due to the parasite's ability to survive in and cycle through different host environments. For both parasites, each developmental transition in the life cycle is driven by the timely expression of a specific repertoire of genes. Curiously, apicomplexans lack most of the canonical specific transcription factors found in other eukaryotes, but they do encode a unique family of transcription factors containing plant-like Apetala2 DNA-binding domains. Several of these Apicomplexan AP2 (ApiAP2) factors were shown to be important drivers of life cycle transitions. For example, AP2-G is the master inducer of sexual differentiation in P. falciparum and is kept tightly silenced during asexual replication. However, the molecular mechanisms by which AP2 factors regulate stage-specific genes and how they themselves are regulated are poorly understood. The backdrop to this project is an emerging field of parasite epigenetics that has followed in the footsteps of epigenetics in model eukaryotes. Importantly, parasites offer a unique system in which to study epigenetic transcriptional control, as they must survive in and transition quickly between extremely different host environments. Each step in the life cycle requires a specific cohort of genes, and the goal is to understand the epigenetic mechanisms controlling these precisely-timed transcriptional programs. Many similarities, but also many key differences, in epigenetic mechanisms have been discovered between parasites and model organisms. This proposal is based on our discovery in apicomplexan parasites of the epigenetic regulator MORC, a family of proteins that act in chromatin compaction in plants and animals. MORC plays a crucial role in sexual commitment in T. gondii. Indeed, TgMORC associates with multiple ApiAP2 transcription factors and represses genes involved in sexual differentiation. In addition, TgMORC binds to telomeric sequences and represses transcription in these regions. These important discoveries represent a paradigm shift in the study of heterochromatin-mediated gene silencing in Apicomplexa. In P. falciparum, we found MORC in a complex that binds to the promoters of var genes, a family of 60 genes that encode the most important variant surface antigen involved in parasite virulence. Thus, our preliminary data have identified ApiMORC as an important new player in controlling transcriptional programs that facilitate Apicomplexan parasite virulence and transmission. Using a multidisciplinary approach based on Next Generation Sequencing techniques and proteomics in two different Apicomplexan parasites, the project ApiMORCing will dissect the molecular mechanisms by which MORC 1) achieves targeting to specific loci, including telomeric regions and genes underlying virulence and sexual differentiation and 2) represses gene expression and/or facilitates heterochromatin formation. We will also explore the contribution of the network of AP2 TFs that acts downstream of MORC to guide developmental trajectories. Understanding the fundamental principles of transcriptional control in these parasites will shed light on how they make dramatic transitions from asexual replication to sexual differentiation, as well as how they survive in their respective hosts. In addition, MORC may be involved in the maintenance of genomic integrity via protection of telomeric sequences. Elucidating the mechanism of ApiMORC targeting and function in these diverse processes will reveal pathways that could be targeted with therapeutics. Therefore, the proposed research has direct implications for the Health and Well-being objective of sustainable development, which seeks to end epidemics of communicable diseases, including malaria.