Studies on the mechanisms of action of artemisinins and the role of PfATP6

par Serena Pulcini

Thèse de doctorat en Interface chimie-Biologie : systèmes moléculaires à visée thérapeutique

Sous la direction de Krishna Sanjeev.

Soutenue le 16-12-2011

à Montpellier 2, dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé, en partenariat avec UMR 5235 - DIMNP - Dynamique des Interactions Membranaires Normales et Pathologiques (laboratoire) .

Le jury était composé de Kai Wengelnik, Sanjeev Krishna, Henri Vial.

Les rapporteurs étaient Donatella Taramelli, Clive Ellory.

  • Titre traduit

    Les études sur les mécanismes d'action de l'artémisinine et le rôle des PfATP6


  • Résumé

    La pompe ATPase Ca2+ du réticulum sarco-endoplasmique Plasmodium falciparum (PfATP6) est une protéine de dix transmembranes, impliqué dans la régulation de l'homéostasie du calcium dans le parasite. L'importance d'étudier cette protéine repose sur l'hypothèse d'être engagé dans le mécanisme d'action et de résistance des artémisinines. Des travaux précédents, fondé sur l'expression hétérologue dans des ovocytes de Xenopus laevis et Saccharomyces cerevisiae, ont montré des résultats opposés, générant de nombreux corollaires vérifiables. Par conséquent, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre la nature des interactions entre les artémisinines et transporteurs de type SERCA.Afin d'évaluer le caractère essentiel du gène de Plasmodium spp., une approche de génétique inverse a été utilisée. Knockout du gène, soit P. falciparum et berghei, ne pouvant pas être obtenu. La complémentation de sauvetage épisomique a été jugée impossible. Marquage à la fin 3' de PfATP6 et PbATP6 a été, également, tenté pour étudier la localisation et l'expression de la protéine chez les parasites. La manipulation des gènes à cette place n'a pas permis la survie du parasite. Nos résultats, pris ensemble, montrent que ATP6 est essentiel dans Plasmodium spp..Au cours de nos études génétiques, un phénotype stable et particulier de parasites du genre Plasmodium falciparum 3D7 a été distingué. Les étranges parasites “monstres" contiennent une vacuole digestive inhabituelle gonflées à travers toutes les étapes du développement du parasite. Caractérisation de l'insolite Plasmodium a été réalisée, montrant une sensibilité accrue à la chloroquine, mais pas à l'artémisinine ou de la méfloquine. Tenant compte de la similitude du PfATP6 avec la pompe SERCA orthologue mammifère, de nouvelles molécules, connu et synthétisé pour cibler spécifiquement la protéine chez les mammifères, ont été testés sur P. falciparum. Quatre classes différentes de composés (sHA 14-1, BHQ, chalcone et des analogues de l'ACP) a montré le blocage de la croissance in vitro du P. falciparum 3D7 et Dd2 à des concentrations inférieure au range micromolaire. En outre, une nouvelle classe de molécules (thaperoxides), conçu comme un hybride entre l'artémisinine et thapsigargine, a été testé contre le type sauvage 7G8 et la ligne muté L263E. Ce dernier porte une mutation ponctuelle unique de nucléotides dans PfATP6, déjà connu d'être impliqué dans la résistance du l'artémisinine.Compte tenu de la difficulté à manipuler les gènes du parasite, et afin de mieux caractériser PfATP6, un gène synthétique a été optimisé pour l'expression hétérologue chez S. cerevisiae. De cette façon, la complémentation d'une ligne de levure mutée (K616) sans les pompes endogènes Ca2+ de type P a été permis avec succès, montrant le sauvetage de la croissance de la levure en présence de forte concentration de calcium libre. Différents inhibiteurs de SERCA, comme la thapsigargine et l'acide cyclopiazonique, ont été testés sur la levure complémenté K616 PfATP6, afin de vérifier l'inhibition de la croissance. Tous les composés ont bloqué la croissance de levure sélectivement ciblant le PfATP6. En outre, le test a été développé comme un criblage de haute performance, afin de tester de nouvelles molécules pour leur activité. La méthode s'est révélée être un outil rapide et très fiable et reproductible pour l'identification de nouveaux composés actifs.


  • Résumé

    The Plasmodium falciparum sarco-endoplasmic reticulum ATPase Ca2+ pump (PfATP6) is a ten transmembrane protein involved in the regulation of the calcium homeostasis in the parasite. The importance of studying this protein relies on the fact that it has been hypothesized to be involved in the mechanism of action and resistance of artemisinins. Previous works, based on heterologous expression in Xenopus laevis oocytes and Saccharomyces cerevisiae, have shown contrasting results, generating many testable corollaries. Therefore, further work is needed to better understand the nature of interactions between artemisinins and SERCA-type transporters.In order to assess the essentiality of the gene in Plasmodium spp., a reverse genetics approach has been used. Knockout of the gene, in either P. falciparum and berghei, could not be achieved. Complementation for episomal rescue was found to be not possible. Tagging at the 3' end of PfATP6 and PbATP6 has been, also, attempted to study localization and expression of the protein in parasites. Manipulation of the gene at this position did not permit parasite survival. Our results, taken together, show that ATP6 is essential in Plasmodium spp..During our genetic studies, a stable and peculiar phenotype of Plasmodium falciparum 3D7 parasites has been noticed. The odd “monster” parasites contain an unusual swollen food vacuole throughout all stages of parasite development. Characterization of the unusual Plasmodium has been carried out, showing an increased sensitivity to chloroquine, but not to artemisinin or mefloquine. Taking into account the similarity of PfATP6 with the mammalian orthologue SERCA pump, new molecules, designed and synthesized to specifically target the mammalian protein, were tested on P. falciparum parasites. Four different classes of compounds (sHA 14-1, BHQ, chalcone and CPA analogues) showed to inhibit P. falciparum 3D7 and Dd2 growth in vitro at concentrations in the lower micromolar range. In addition, a novel class of molecules (thaperoxides), designed as an hybrid between artemisinin and thapsigargin, has been tested against 7G8 wild type and mutated L263E line. The latter carries a single nucleotide point mutation in PfATP6 that has been previously shown to be involved in artemisinin resistance. Considering the difficulty in manipulating the gene in the parasite and in order to better characterize PfATP6, a synthetic gene was optimized for heterologous expression in S. cerevisiae. This enabled successful complementation of a mutated yeast line (K616) lacking the endogenous P-type Ca2+ pumps, showing rescue of the yeast growth in presence of high concentration of free calcium. Different SERCA inhibitors, such as thapsigargin and cyclopiazonic acid, have been tested on K616 PfATP6 complemented yeast, in order to check for growth inhibition. All compounds showed to inhibit yeast growth selectively targeting PfATP6. In addition, the assay has been developed as a high throughput screening, in order to test new molecules for their activity. The method has proved to be a fast, highly reliable and reproducible tool for identification of new active compounds.

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