Characterization and inhibition of key steps of the fatty acid biosynthesis in Plasmodium falciparum and Mycobacterium tuberculosis

Caractérisation et inhibition d'étapes clés de la biosynthèse des acides gras chez Plasmodium falciparum et Mycobacterium tuberculosis

• Auteur / Autrice : Paul Gratraud
• Direction : Laurent Kremer, Henri Vial
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie. Parasitologie
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mycobacterium tuberculosis

Inhibiteurs

Plasmodium falciparum

Mots clés libres

Plasmodium falciparum

Mycobacterium tuberculosis

Mycobacterium bovis BCG

Acide oleique

Stearoyl-CoA D9-desaturase

Systeme FAS-II

Acides mycoliques

Inhibiteurs

Résumé

Plasmodium falciparum et Mycobacterium tuberculosis sont deux pathogènes humains, causant respectivement le paludisme et la tuberculose. Les efforts pour combattre ces maladies et leurs ravages se heurtent à une adaptation des pathogènes vis-à-vis de leurs inhibiteurs respectifs. La recherche constante de nouveaux moyens de lutte et de nouvelles cibles d'intérêt pharmacologique sont une priorité dans l'éradication de ces deux organismes. Bien que phylogénétiquement éloignés, l'un étant un eucaryote hématozoaire et l'autre un procaryote, ils partagent des voies métaboliques communes, comme par exemple la biosynthèse des acides gras. La première partie de ce travail a consisté en l'étude de la synthèse et de la désaturation des acides gras chez P. Falciparum. Nous avons d'abord caractérisé l'activité d'une stéaroyl-CoA Δ9-désaturase chez P. Falciparum et déterminé ses caractéristiques biochimiques. Nous avons également démontré que l'enzyme responsable de la conversion d'acide stéarique en acide oléique est essentielle au développement intra-érythrocytaire du parasite, grâce à l'utilisation du méthyl-sterculate, un inhibiteur spécifique des Δ9-désaturases. Par ailleurs, nous avons participé à une étude centrée sur l'activité de l'énoyl-ACP réductase PfFabI, une enzyme clé du système de biosynthèse des acides gras de type II (FAS-II), lors de la schizogonie hépatique. Cette enzyme est essentielle au développement des schizontes hépatiques tardifs, la délétion du gène pffabI empêchant une maturation normale des parasites. Nous avons également mis en évidence une activité de synthèse des acides gras chez ce mutant au cours de la phase érythrocytaire, soulignant la présence d'une voie de synthèse des acides gras indépendante de FAS-II. La seconde partie de cette thèse traite de la biosynthèse de l'acide oléique et de son inhibition chez les mycobactéries. Nous avons d'abord démontré l'efficacité antituberculeuse de NAS-91 et NAS-21, originellement décrits comme inhibiteurs de la β-hydroxyacyl-ACP déhydratase PfFabZ chez P. Falciparum. Ces molécules inhibent la synthèse des acides mycoliques, acides gras particuliers impliqués dans la virulence des mycobactéries, vraisemblablement par une inhibition du système FAS-II. Elles inhibent également de manière prononcée la synthèse d'acide oléique chez M. Bovis BCG. Enfin, nous avons montré la participation de la monooxygénase mycobactérienne EthA dans l'activation d'agents antituberculeux ciblant la synthèse de l'acide oléique et/ou des acides mycoliques. Une fois activés, certains de ces composés, tels que l'isoxyl, inhibent fortement l'activité Δ9-désaturase chez M. Bovis BCG, réduisant considérablement de la production d'acide oléique.

P. Falciparum and M. Tuberculosis are two major human pathogens, and the causative agents of malaria and tuberculosis, respectively. Efforts in fighting these diseases often are limited by the capacity of adaptation of these pathogens to the drugs. New means to combat these diseases are urgent for eradication of these organisms. Although being phylogenetically different, P. Falciparum being an eukaryotic hematozoan and M. Tuberculosis a prokaryot, they share common metabolic pathways, such as the fatty acid biosynthesis system. The first part of this thesis was devoted to the biosynthesis and desaturation of fatty acids in P. Falciparum. We first characterized the stearoyl-CoA Δ9-desaturase activity in P. Falciparum and determined its biochemical properties. We also demonstrated that the enzyme responsible for the conversion of stearic to oleic acid is essential for intra-erythrocytic growth by using methyl-sterculate, a specific inhibitor of Δ9-desaturases. In addition, we have participated in a study focusing on the P. Falciparum enoyl-ACP reductase PfFabI, a key enzyme of the type II fatty acid synthase (FAS-II), found to be only active during hepatic schizogony. This enzyme is essential for the development of late hepatic schizontes, and deletion of pffabI is deleterious for the normal maturation of parasites. Moreover, we provided evidence that a fatty acid biosynthesis activity occurred during the intra-erythrocytic cycle of this mutant, highlighting the presence of a FAS-II independent mechanism. The second part of this thesis deals with the oleic acid biosynthesis and its inhibition in mycobacteria. We first demonstrated the antitubercular activity of NAS-91 and NAS-21, known as inhibitors of the P. Falciparum β-hydroxyacyl-ACP dehydratase PfFabZ. These drugs inhibit the biosynthesis of mycolic acids, which are unique fatty acids involved in mycobacterial virulence, presumably by targeting the FAS-II system. These drugs also inhibit oleic acid synthesis in M. Bovis BCG. Finally, we demonstrated the participation of the mycobacterial monooxygenase EthA in the activation step of antitubercular drugs targeting oleic acid and/or mycolic acid biosynthesis. Once activated, some of these drugs, such as isoxyl, exhibit a strong inhibitory effect against the Δ9-desaturase in M. Bovis BCG, considerably reducing oleic acid production.