Caractérisation biochimique, fonctionnelle et structurale de l'integrase Pf-Int de plasmodium

par Mehdi Ghorbal

Thèse de doctorat en Biochimie des protéines

Sous la direction de Deshmukh Gopaul.

Le président du jury était Herman Van Tilbeurgh.

Le jury était composé de Deshmukh Gopaul, Loïc Rivière, Jean-François Allemand.

Les rapporteurs étaient Michael Chandler, Mireille Bétermier.


  • Résumé

    Plasmodium falciparum est un parasite protozoaire responsable de la forme la plus sévère de la malaria. Depuis quelques années, les cas de résistance aux antipaludiques sont devenus de plus en plus fréquents et de plus en plus répandus. En plus de sa résistance aux drogues actuellement disponibles, ce parasite reste jusqu' à aujourd'hui réfractaire aux vaccinations. L’identification de nouvelles approches basées sur l`inhibition spécifique de certaines de ses cibles moléculaires vitales est devenue une nécessité. La recombinase à site spécifique de P. falciparum (Pf-Int) est un enzyme qui a été récemment identifié dans le laboratoire à partir de PlasmoDB. Cette recombinase à site spécifique joue potentiellement un rôle clé dans le système de recombinaison nécessaire à la viabilité du parasite. Cette protéine de 490 acides aminés, soit ~57 kDa, contient une région C-terminale qui porte les résidus conservés du site catalytique des recombinases à tyrosine R-H-K-R-(H/W)-Y. La prédiction montre une région N-terminale qui ressemble à celle de l’intégrase du phage lambda avec un mélange de structures secondaires α et β.Lors de ces travaux, nous avons d’abord montré par RT-PCR que le gène (MAL13P1.42) qui code pour PF-Int est transcrit pendant le cycle intra-érythrocytaire avec un maximum pendant la phase schizont. Nous avons ensuite essayé de montrer l`implication de Pf-Int dans le cycle parasitaire. Ceci a été réalisé grâce à un parasite (KO: knock-out) dont le gène Pf-Int a été invalidé. Ces analyses montrent que Pf-Int n'a aucun impact apparent sur le cycle de développement intra-érythrocytaire du parasite, en particulier sur la durée du cycle et le taux de croissance. Au niveau moléculaire, nous avons également procédé à la production d'anticorps anti-Pf-Int en utilisant le fragment C-162 (Résidus 162-490). La comparaison des profils de marquage, par cet anticorps, des extraits protéiques du KO et du parasite sauvage par la technique de Western blot n'a pas permis d'identifier la protéine endogène dans le parasite sauvage. Dans le but de déterminer la localisation sub-cellulaire de Pf-Int, nous avons réalisé des essais de sur-expression de différentes protéines de fusion dans le parasite. Nous avons essayé de déterminer l’impact de trois codons d’initiation différents ainsi que l’impact de la présence de la région N-terminale (1-190aa) de Pf-Int sur sa localisation subcellulaire en utilisant une chimère entre la partie N-terminale et la protéine GFP. Lors de ces travaux, nous avons réussi à sur-exprimer différentes régions de Pf-Int sous forme recombinante dans E. coli. Nous l’avons d’abord caractérisé par des études biophysiques. Ainsi nous avons pu déterminer, par dichroïsme circulaire (CD), le contenu en structures secondaires de Pf-Int, qui est proche de celui des autres membres de la même famille. Nous avons également démontré sa stabilité par CD couplé à la dénaturation thermique. Le spectre RMN-1D a aussi pu être enregistré. La troisième partie de nos travaux a concerné l’identification des cibles ADN de Pf-Int. Deux stratégies de recherche de cibles par affinité ont été utilisées au laboratoire en utilisant une première bibliothèque de séquences synthétisées chimiquement et une deuxième bibliothèque formée de fragments d’ADN génomique de P. falciparum. Ces deux approches ont permis l’identification de deux séries de cibles ADN. Grace aux cibles ADN identifiées, nous avons pu démontrer l’interaction de différents fragments de Pf-Int avec ces cibles par des expériences de retard sur gel natif (EMSA). Nous avons aussi pu démontrer que les protéines recombinantes sont actives in vitro. En effet, ces dernières sont capables de former des complexes covalents en présence de l’ADN cible. La conservation de la protéine, ainsi que son expression différentielle nous laisse à penser que son rôle est certes loin d’être élucidé, mais que Pf-Int reste une cible potentielle pour P. falciparum.

  • Titre traduit

    Biochemical, functional and structural characterization of the Plasmodium falciparum site specific recombinase Pf-Int


  • Résumé

    Plasmodium falciparum is a protozoan parasite responsible for the most severe form of malaria. In recent years, cases of resistance to antimalarial drugs have become increasingly frequent and common. In addition to its resistance to drugs currently available, there is no vaccine available against this parasite till now. The identification of new approaches based on the specific inhibition of some of its molecular targets has become vital.The identification of the Pf-Int site specific recombinase in Plasmodium falciparum by analysis of PlasmoDB is a new opportunity to study the role of genetic variation in this parasite as it needs to adapt to its hosts. This ~ 57 kDa protein contains a C-terminal domain carrying the putative tyrosine recombinase conserved active site residues R-H-K-R-(H/W)-Y, an N-terminus with a predicted alpha-helical bundle and a mixed alpha-beta domain resembling Lambda-Int. Here, we show that the sequence is highly conserved among members of the Plasmodia. It is expressed differentially during distinct life stages as estimated by RT-PCR, namely with a peak in the schizont phase. We then tried to show the involvement of Pf-Int in the parasitic cycle. We were able to create a parasite where the Pf-Int gene was knocked-out. The comparison test showed that Pf-Int has apparently no impact on the intraerythrocytic developmental cycle of the parasite, particularly in the cycle length and the growth rate.At the molecular level, we produced two sets of anti-Pf-Int antibodies using the purified recombinant fragment C-162 (residues 162-490). Comparison of protein extracts from KO and wild parasite by Western blot technique using our antibody has failed to identify the endogenous protein in the wild type parasite.We also tried to determine the subcellular localization of Pf-Int and the role of possible alternate initiation codons by over-expressing different constructs in the parasite Plasmodium falciparum. In order to determine the impact of the N-terminal region (1-190aa) of Pf-Int on its subcellular localization, we also created a chimeric protein using a fusion of Pf-Int(1-190aa) with the GFP. We successfully expressed a variety of the recombinant form of Pf-Int in E. coli. We have first determined its secondary structure content by circular dichroism (CD) and its solution stability by thermal denaturation-CD. An 1-D NMR spectrum was also recorded. The third part of our work has involved the identification of the DNA targets of Pf-Int. Two search strategies conducted in the laboratory using a library of chemically synthesized sequences and a second library made of fragments of genomic DNA of P. falciparum. Both approaches have allowed the identification of two sets of target DNA. Secondly, electrophoretic mobility shift assays (EMSA) were used to show its affinity and specificity for DNA. The recombinant proteins were shown to be functional as they form a covalent complex with DNA. Thus Pf-Int could be a potential agent that binds to and alters DNA, either in a specific or in random fashion. Its conservation and differential expression leads us to conclude that although its role is far from being understood, Pf-Int remains a key target for P. falciparum.

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