Modélisation intégrée du métabolisme des lipides chez Plasmodium, parasite causal du paludisme

par Partho Sen

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Ovidiu Radulescu.

Soutenue le 17-12-2013

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; ....-2014) , en partenariat avec Dynamique des Interactions Membranaires Normales et Pathologiques (Montpellier) (laboratoire) et de Dynamique des interactions membranaires normales et pathologiques / DIMNP (laboratoire) .


  • Résumé

    Le paludisme est responsable de la mort de près d'un million de personnes chaque année. Cette maladie est causée par le Plasmodium, parasite protozoaire appartenant à la famille des Apicomplexes. Dans cette thèse, nous avons développé des approches de biologie de systèmes pour l'étude du métabolisme des phospholipides (PL) métabolisme et de sa régulation chez Plasmodium. Ces voies métaboliques sont d'une importance primordiale pour la survie du parasite. À l'étape intra-érythrocytaire du développement, les espèces de Plasmodium exploitent un nombre important de voies de synthèse phospholipidique, qui sont rarement trouvées ensemble dans un seul organisme : (i) la voie dépendante ancestrale CDP-diacylglycerol des procaryotes ( ii) les voies eucaryotes de novo CDP- choline et CDP-éthanolamine (Kennedy) ( iii ) de plus P.falciparum et P. knowlesi emploient des réactions supplémentaires qui relient une à l'autre certaines de ces routes. Une voie de synthèse caractéristique aux plantes, qui utilise la sérine en tant que source supplémentaire de phosphatidyl-choline (PC) et de phosphatidyl-éthanolamine (PE), est nommée la voie méthyltransférase décarboxylase - phosphoéthanolamine sérine (SDPM). Pour comprendre la dynamique d'acquisition et le métabolisme des phospholipides chez Plasmodium, nous avons construit un modèle cinétique quantitatif basé sur des données fluxomiques. La dynamique in vitro d'incorporation de phospholipides révèle plusieurs voies de synthèse. Nous avons construit un réseau métabolique détaillé et nous avons identifié les valeurs de ses paramètres cinétiques (taux maximaux et constantes Michaelis). Afin d'obtenir une recherche globale dans l'espace de paramètres, nous avons conçu une méthode d'optimisation hybride, discrète et continue. Des paramètres discrets ont été utilisés pour échantillonner le cône des flux admissibles, alors que les constantes des Michaelis et les taux maximaux ont été obtenus par la minimisation locale d'une fonction objective. Cette méthode nous a également permis de prédire la répartition des flux au sein du réseau pour différents précurseurs métaboliques. Cette analyse quantitative a également été utilisée pour comprendre les liens éventuels entre les différentes voies. La principale source de PC est la voie Kennedy CDP-choline. Des expériences de knock-out in silico ont montré l'importance comparable des voies phosphoéthanolamine-N-méthyltransférase (PMT) et de la phosphatidyléthanolamine-N-méthyltransférase (PEMT) pour la synthèse de PC. Les valeurs des flux indiquent que plus grande partie de la PE dérivée de la sérine est formée par décarboxylation, alors que la synthèse de PS est majoritairement effectuée par des réactions d'échange de base. L'analyse de sensitivité de la voie CDP- choline montre que l'entrée de choline dans le parasite et la réaction cytidylyltransferase de la phosphocholine ont les plus grands co-efficients de contrôle sur cette voie, mais ne permet pas de distinguer une réaction comme l'unique étape limitante. Ayant comme objectif la compréhension de la régulation de l'expression génique chez Plasmodium falciparum et son influence sur le fonctionnement métabolique, nous avons effectué une étude bioinformatique intégrative des données du transcriptome et du métabolome pour les principales enzymes impliquées dans le métabolisme PL. L'étude de la dépendance temporelle des variables métaboliques et transcriptomiques au cours du cycle intra-érythrocytaire, a mis en évidence deux modes d'activation des voies PL. Les voies Kennedy sont activées pendant la phase schizogonique et au début de la phase anneau, alors que les voies SDPM et d'échange de bases sont activées lors de la fin de la phase anneau cycle et lors de la phase tropozoïte.

  • Titre traduit

    Integrated modelling of lipid metabolism in Plasmodium, the causative parasite of malaria


  • Résumé

    Malaria is responsible of the death of up to one million people each year. This disease is caused by Plasmodium, a protozoan parasite. In this thesis we have developed systems biology approaches to the study of phospholipid (PL) metabolism and its regulation in Plasmodium. These pathways are of primary importance for the survival of the parasite. At the blood stage, Plasmodium species display a bewildering number of PL synthetic pathways that are rarely found together in a single organism (i) the ancestral prokaryotic CDPdiacylglycerol dependent pathway (ii) the eukaryotic type de novo CDP-choline and CDPethanolamine (Kennedy) pathways (iii) P. falciparum and P. knowlesi exhibits additional reactions that bridge some of these routes. A plant-like pathway that relies on serine to provide additional PC and PE, is named the serine decarboxylase-phosphoethanolamine methyltransferase (SDPM) pathway. To understand the dynamics of PL acquisition and metabolism in Plasmodium we have used fluxomic data to build a quantitative kinetic model. In vitro incorporation dynamics of phospholipids unravels multiple synthetic pathways. A detailed metabolic network with values of the kinetic parameters (maximum rates and Michaelis constants) has been built. In order to obtain a global search in the parameter space, we have designed a hybrid, discrete and continuous, optimisation method. Discrete parameters were used to sample the cone of admissible fluxes, whereas the continuous Michaelis and maximum rates constants were obtained by local minimization of an objective function.The model was used to predict the distribution of fluxes within the network of various metabolic precursors. The quantitative analysis was used to understand eventual links between different pathways. The major source of phosphatidylcholine (PC) is the CDP-choline Kennedy pathway. In silico knock-out experiments showed comparable importance of phosphoethanolamine-N-methyltransferase (PMT) and phosphatidylethanolamine-N-methyltransferase (PEMT) for PC synthesis. The flux values indicate that, major part of serine derived phosphatidylethanolamine (PE) is formed via serine decarboxylation, whereas the phosphatidylserine (PS) is mainly predominated by base-exchange reactions. Metabolic control analysis of CDP-choline pathway shows that the carrier-mediated choline entry into the parasite and the phosphocholine cytidylyltransferase reaction have the largest control coefficients in this pathway, but does not distinguish a reaction as an unique rate-limiting step.With a vision to understand regulation of gene expression in Plasmodium falciparum and its influence on the metabolite expression, we have performed an integrative bioinformatic studies. The study integrates transcriptome and metabolome data for the main enzymes involved in PL metabolism. The study of the correlated time dependence of metabolic and transcriptomic variables during the intraerythrocytic cycle showed that there are two modes of activation of PL pathways. Kennedy pathways are activated during schizogony and early ring stages, whereas SDPM and base exchange pathways are activated during late ring and tropozoite stages.


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