Etudes métabolomiques du métabolisme du carbone des stades érythrocytaires asexués du parasite du paludisme humain Plasmodium falciparum.

par Sonal Sethia

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Sylke Müller et de Henri Vial.


  • Résumé

    Le paludisme est une des maladies tropicales les plus dévastatrices au monde causée par des parasites protozoaires intracellulaires du genre Plasmodium. Cinq espèces de plasmodies sont responsables du paludisme chez l'homme et causent 600 000 décès par an principalement chez les enfants de moins de 5 ans et les femmes enceintes vivant dans les régions les plus pauvres du globe. Les parasites ont généré une résistance contre les chimiothérapies existantes et aucun vaccin efficace n'est encore disponible. Il est donc impératif d'identifier et de valider de nouvelles cibles qui peuvent être exploitées pour la découverte de nouveaux médicaments.Cette étude a porté sur la caractérisation d'un enzyme, la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), produit d'un gène spécifique au parasite et absent chez l'hôte humain, ce qui constitue l'un des pré-requis d'une cible potentielle pour la découverte de médicaments. Le gène avait été montré comme essentiel pour des parasites seulement en absence de malate ou de fumarate, suggérant un rôle de la protéine dans le métabolisme du carbone intermédiaire des parasites.Mes études de thèse avaient pour but de caractériser le rôle de la PEPC en utilisant la métabolomique. J'ai d'abord établi et normalisé une méthodologie d'analyses métabolomiques des globules rouges infectés par Plasmodium et optimisé l'analyse des métabolites hydrophiles présents dans le parasite intracellulaire et sa cellule hôte. Nous nous sommes concentrés sur les métabolites du métabolisme du carbone intermédiaire, où la PEPC pouvait jouer un rôle déterminant par analogie avec les plantes et les bactéries. Des analyses ciblées utilisant un marquage isotopique du métabolome à partir de 13C-U-glucose, 13C-bicarbonate et 13C, 15N-glutamine ont aussi été réalisées permettant de mieux appréhender les conséquences d'un KO de l'enzyme PEPC sur le métabolisme du parasite.Les données montrent que l'enzyme PEPC permet une fixation du bicarbonate et catalyse une réaction anaplérotique conduisant à du malate qui est introduit dans le cycle de l'acide tricarboxylique mitochondrial, transférant ainsi des équivalents réducteurs du cytoplasme à la mitochondrie et fournissant aussi un point d'entrée du squelette carboné dans le cycle. Les résultats montrent surtout que les parasites possèdent un cycle complet et de type oxydatif de l'acide tricarboxylique mitochondrial. Il parait y avoir trois points d'entrée: 1. l'acétyl CoA résultant du pyruvate généré par la glycolyse et décarboxylé dans la mitochondrie; 2. l'acide alpha-cétoglutarique provenant du glutamate, qui lui-même résulte de la désamination de la glutamine essentiellement fournie par l'environnement externe; 3. le malate, produit en aval de la malate déshydrogénase qui réduit l'oxaloacétate produit par la PEPC. En aval de la PEPC, la biosynthèse des pyrimidines opère grâce à l'activité de l'aspartate aminotransférase agissant sur oxaloacétate.En dehors du malate, le fumarate est le seul autre métabolite qui permet de s'opposer au défaut de croissance des parasites déficients en PEPC, ce qui a conduit à évaluer le rôle de la fumarase. À cette fin, l'étiquetage du gène endogène fumarase avec une étiquette HA, a permis de montrer que la protéine est exprimée dans les stades intra-érythrocytaires de P. falciparum et de montrer que la protéine se trouve à la fois dans la mitochondrie et le cytoplasme. La protéine recombinante a été exprimée avec succès et partiellement caractérisée biochimiquement. De nombreuses tentatives visant à générer des mutants de délétion génétique de P. falciparum n'ont pas abouti, laissant en suspens la question du caractère essentiel du gène pour les parasites. Cependant, il est possible de cibler le locus du gène via un marquage C-terminal. Ceci suggère que l'enzyme peut être essentielle pour la survie du parasite et donc une cible exploitable pour la découverte d'un type nouveau de médicament antipaludique.

  • Titre traduit

    Use of metabolomics to decipher parasite carbon metabolism of asexual erythrocytic stages of the human malaria parasite Plasmodium falciparum


  • Résumé

    Malaria is one of the world's most devastating tropical diseases caused by obligate intracellular protozoan parasites of the genus Plasmodium. Five species of these parasites cause malaria in humans and infection results in ~600,000 deaths annually primarily in children under the age of 5 and pregnant women living in the poorest areas of the globe. The parasites have an outstanding ability to generate resistance against existing chemotherapies and an efficacious vaccine is not available yet. Therefore it is imperative that attempts are being made to identify and validate new targets that can be exploited for future drug discovery.This study focused on the validation and elucidation of a parasite-specific gene product namely phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), which is not present in the human host and thus has one of the pre-requisites of a potential drug target. The gene had been previously genetically validated and it was demonstrated that mutant parasites lacking pepc were only viable in the presence of malate or fumarate, suggesting a role of the protein in intermediary carbon metabolism of the parasites.My studies had the goal to assess the role of PEPC using a metabolomics approach. Initially the methodologies to perform metabolomics analyses of Plasmodium-infected RBCs were established and standardised and it was assessed how to best analyse the hydrophilic metabolites present in the intracellular parasites and its host cell. We focused on metabolites of intermediary carbon metabolism, as it is likely that PEPC is important for metabolic functions linked to this in the parasites, in analogy to plants and bacteria. While global metabolomics analyses were appealing, it was decided to apply a targeted metabolomics and comparative approach using stable isotope labelling of the parasite metabolomes with 13C-U-glucose, 13C-bicarbonate and 13C-,15N-glutamine to assess the consequences of the pepc knockout on parasite metabolism.The data demonstrated that PEPC has an anaplerotic function fixing bicarbonate and leading to generation of malate that is fed into the mitochondrial tricarboxylic acid cycle and so transfers reducing equivalents from cytoplasm to mitochondrion as well as providing an entry point of carbon skeleton into the cycle. The most important findings with respect to parasite mitochondrial metabolism were that the parasites possess a complete and oxidative tricarboxylic acid cycle, which appears to have three entry points: 1. Acetyl CoA resulting from glycolytically generated pyruvate that is decarboxylated in the mitochondrion; 2. α-ketoglutarate from the reaction of glutamate dehydrogenase and 3. malate, which is a downstream product of malate dehydrogenase that reduces oxaloacetate the reaction product of PEPC. Other downstream reactions supported by PEPC activity are pyrimidine biosynthesis through the activity of aspartate aminotransferase also acting on the PEPC-derived oxaloacetate.Apart from malate, fumarate was the only other metabolite that reversed the growth defect of pepc mutant parasites. Hence the role of fumarase in the parasites was also assessed. To this end the endogenous fumarase gene of P. falciparum was tagged with an HA-tag, which showed that the protein is expressed in the intra-erythrocytic stages of P. falciparum and demonstrated that the protein is located in both mitochondrion and cytoplasm. In addition, the recombinant protein was produced and partially biochemically characterised. Numerous independent attempts to generate genetic deletion mutants of P. falciparum were unsuccessful, leaving the question whether the gene is essential for the parasites unanswered. However, it was possible to manipulate the locus by C-terminal tagging of the fumarase gene suggesting that fumarase might be indeed essential for parasite survival and therefore possibly suitable for future drug design and discovery.

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