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Reprogrammation métabolique rapide médiée par l'AMP

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Reprogrammation métabolique rapide médiée par l'AMP

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 422 (2023) Citer cet article 2062 Accès 17 Détails d'Altmetric Metrics Le pathogène omniprésent Toxoplasma gondii a un mode de vie complexe avec

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 422 (2023) Citer cet article

2062 Accès

17 Altmétrique

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Le pathogène omniprésent Toxoplasma gondii a un mode de vie complexe avec différentes activités métaboliques à différents stades intimement liées aux environnements parasitaires. Ici, nous avons identifié le régulateur eucaryote de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK) de l'homéostasie cellulaire chez Toxoplasma et découvert son rôle dans la programmation métabolique au cours du cycle lytique du parasite. La sous-unité catalytique AMPKα est rapidement phosphorylée après la libération de parasites intracellulaires dans des environnements extracellulaires, entraînant un catabolisme producteur d'énergie pour alimenter la motilité des parasites et leur invasion dans les cellules hôtes. Une fois à l’intérieur des cellules hôtes, la phosphorylation de l’AMPKα est réduite au niveau basal pour favoriser un équilibre entre la production d’énergie et la synthèse de la biomasse, permettant ainsi une réplication robuste du parasite. L'épuisement de l'AMPKγ abolit la phosphorylation de l'AMPKα et supprime la croissance du parasite, qui peut être partiellement sauvée en surexprimant l'AMPKα de type sauvage, mais pas les mutants de phosphorylation. Ainsi, grâce à la reprogrammation cyclique par l'AMPK, les besoins métaboliques des parasites à chaque étape sont satisfaits et le cycle lytique progresse de manière robuste.

Les changements dans les conditions environnementales sont des défis auxquels tous les organismes vivants doivent faire face. En raison de leur mode de vie unique, les organismes parasitaires sont particulièrement capables de réagir et de s’adapter aux changements environnementaux. Toxoplasma gondii, un protozoaire omniprésent qui infecte un tiers de la population humaine mondiale et de nombreux animaux, est capable de croître et de survivre dans des conditions d'hôte et environnementales extrêmement diverses1,2. Ce parasite a un cycle de vie complexe alternant plusieurs étapes clés pour sa pathogenèse et sa transmission. Lors d'une infection aiguë d'hôtes intermédiaires, les parasites prolifèrent rapidement sous forme de tachyzoïtes, responsables des symptômes cliniques de la toxoplasmose3. Les tachyzoïtes envahissent activement les cellules hôtes, s'y répliquent puis les lysent pour déclencher de nouvelles invasions lorsque le nombre de parasites atteint un certain nombre. Dans des conditions optimales, les parasites se développent continuellement sous forme de tachyzoïtes et répètent le cycle lytique. Cependant, dans des conditions de stress ou de famine, les tachyzoïtes peuvent se transformer en une forme moins active appelée bradyzoïtes, qui sont enfermées dans des kystes tissulaires et maintiennent une infection chronique à vie chez les hôtes1,2,4.

Les parasites Toxoplasma ont différentes activités métaboliques à différents stades. La majorité des enzymes glycolytiques ont deux isoformes, dont beaucoup présentent une expression spécifique à un stade5,6, indiquant des exigences distinctes en matière d'activité glycolytique à différents stades. De même, les bradyzoïtes et les oocystes accumulent de grandes quantités d’amylopectine, à peine visible dans les tachyzoïtes7,8,9. La signification physiologique et les mécanismes de régulation sous-jacents à un tel métabolisme spécifique à un stade sont largement inconnus. Le cycle lytique des tachyzoïtes comprend deux étapes, une courte étape extracellulaire au cours de laquelle les parasites fraîchement sortis utilisent leur motilité glissante pour trouver et envahir les cellules hôtes, et une étape intracellulaire au cours de laquelle les parasites envahis prolifèrent dans les cellules hôtes. Du point de vue métabolique, l’objectif principal des tachyzoïtes extracellulaires est de générer suffisamment d’énergie pour alimenter une invasion rapide et efficace, alors que les parasites intracellulaires ont besoin d’une production d’énergie équilibrée et d’une synthèse de macromolécules pour se répliquer. Il a été observé que l'enzyme glycolytique fructose-bisphosphate aldolase se relocalise du cytoplasme vers la périphérie du parasite dès que les parasites sont libérés des cellules hôtes10. Comme le complexe moteur qui pilote la motilité du parasite se trouve sous la membrane du parasite, la relocalisation des enzymes glycolytiques était considérée comme un moyen de générer rapidement de l'énergie là où elle est nécessaire11. De plus, en traitant les tachyzoïtes avec du glucose marqué au 13C pour surveiller le flux de carbone dérivé du glucose, il a été démontré que même si le 13C pouvait être efficacement incorporé dans des macromolécules telles que les acides gras chez les parasites intracellulaires, il était à peine incorporé dans ces molécules chez les parasites extracellulaires12. Ces observations suggèrent que, bien que la phase extracellulaire soit très brève et ne dure que quelques secondes ou quelques minutes, son métabolisme est fondamentalement différent de celui des parasites intracellulaires. La manière dont une transition métabolique de si courte durée est régulée et réalisée est totalement inconnue.

1.5 fold (p < 0.05), 24 of which were decreased and 23 were increased after AMPKγ depletion (Fig. S10, Supplementary data 3). On the other hand, the abundance of 325 phospho-peptides had an abundance change over 1.5 fold after AMPKγ depletion. After adjustments with the protein level changes (to rule out the change of phospho-peptides abundance was caused by changes in protein level), the abundance of 285 phospho-peptides corresponding to 170 proteins was changed >1.5 fold (p < 0.05) upon AMPKγ depletion (Supplementary data 4). More than 40% (74/170 = 43.5%) of these proteins are hypothetical proteins with unknown functions. Besides those, a large number of proteins with metabolic roles, including enzymes, transporters and regulators, were differentially phosphorylated in the AMPKγ+ versus AMPKγ- parasites. Notably, the glycolytic enzymes pyruvate kinase 1 (PYK1) and fructose-1,6-bisphosphate aldolase (ALD), as well as the major glucose importer glucose transporter 1 (GT1) all contained two or more phospho-peptides that had abundance difference between AMPKγ expressing and depleted parasites (Fig. 7a). Other proteins involved in sugar breakdown or energy metabolism, including 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGD), acetyl-coenzyme A synthetase (ACS) and pyruvate dehydrogenase kinase also showed changes in phosphorylation at specific serine residues upon AMPKγ degradation (Fig. 7a, Supplementary data 4). Similarly, a number of proteins and enzymes involved in anabolism such as lipid and protein synthesis also displayed phosphorylation changes after AMPKγ depletion (Fig. 7b, Supplementary data 4). Particularly, the phosphorylation of three eukaryotic initiation factors (eIF2B, eIF4A and eIF4G) that control the initiation of protein translation was reduced upon AMPKγ degradation (Fig. 7b), which is consistent with the impaired nascent protein synthesis of AMPKγ depleted parasites (Fig. 5d)./p> 1.5) changed after TgAMPKγ depletion. These include many metabolic enzymes and regulators, such as pyruvate kinase 1, fructose-1,6-bisphosphate aldolase, glucose transporter GT1 and pyruvate dehydrogenase kinase that are involved in sugar breakdown and ATP production45,46,47, as well as a number of eukaryotic initiation factors and CDP-alcohol phosphatidyltransferase that are involved in the synthesis of proteins and phospholipids. Many of these proteins were also identified in the co-IP experiments as potential interaction proteins with AMPK. These proteins are possible targets of AMPK in Toxoplasma. Further studies are needed to dissect how exactly they are regulated by AMPK and the physiological significance of such regulation. On the other hand, when some of the differentially phosphorylated proteins listed in Fig. 7 (such as GT1, ALD, PYK1 and ACS) were analyzed in detail to see whether the residues potentially phosphorylated by TgAMPK were conserved among other organisms. Interestingly, while orthologs of these proteins are present in model eukaryotes from yeasts to fruit flies and humans, the phosphorylated residues within them are either not conserved or do not have evidence of AMPK-dependent phosphorylation. These results suggest that either the proteins analyzed are not direct substrates of TgAMPKα, but other kinases whose activities are influenced by TgAMPKα, or the detailed mechanisms by which Toxoplasma AMPK regulates parasite metabolism are different from that of other eukaryotes./p> 10,000 parasites being analyzed for each sample. Each strain and condition were tested three times independently./p> 0.05), phosphorylation sites with log2 (phospho fold-change) ≥ 0.58 and p-value ≤ 0.05 were considered as differentially phosphorylated./p>