Aminoglycerophospholipid flipping and P4-ATPases in Toxoplasma gondii

Lipid flipping in the membrane bilayers is a widespread eukaryotic phenomenon that is catalyzed by assorted P4-ATPases. Its occurrence, mechanism, and importance in apicomplexan parasites have remained elusive, however. Here we show that Toxoplasma gondii, an obligate intracellular parasite with high clinical relevance, can salvage phosphatidylserine (PtdSer) and phosphatidylethanolamine (PtdEtn) but not phosphatidylcholine (PtdCho) probes from its milieu. Consistently, the drug analogs of PtdCho are broadly ineffective in the parasite culture. NBD-PtdSer imported to the parasite interior is decarboxylated to NBD-PtdEtn, while the latter is not methylated to yield PtdCho, which confirms the expression of PtdSer decarboxylase but a lack of PtdEtn methyltransferase activity and suggests a role of exogenous lipids in membrane biogenesis of T. gondii. Flow cytometric quantitation of NBD-probes endorsed the selectivity of phospholipid transport and revealed a dependence of the process on energy and protein. Accordingly, our further work identified five P4-ATPases (TgP4-ATPase1-5), all of which harbor the signature residues and motifs required for phospholipid flipping. Of the four proteins expressed during the lytic cycle, TgP4-ATPase1 is present in the apical plasmalemma; TgP4-ATPase3 resides in the Golgi network along with its noncatalytic partner Ligand Effector Module 3 (TgLem3), whereas TgP4-ATPase2 and TgP4-ATPase5 localize in the plasmalemma as well as endo/cytomembranes. Last but not least, auxin-induced degradation of TgP4-ATPase1-3 impaired the parasite growth in human host cells, disclosing their crucial roles during acute infection. In conclusion, we show selective translocation of PtdEtn and PtdSer at the parasite surface and provide the underlying mechanistic and physiological insights in a model eukaryotic pathogen.Peer Reviewe

Cyclic GMP signaling during the lytic cycle of Toxoplasma gondii

Der cGMP-Signalweg ist als einer der Hauptregulatoren von diversen Funktionen in Eukaryoten bekannt; allerdings ist seine Funktionsweise in Protozoen wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Guanylatcyclase, gekoppelt mit N-terminalen P4-ATPase, in intrazellulären Parasiten Toxoplasma gondii gemeldet. Eine in silico-Analyse wies auf eine Aktivierung der Guanylatcyclase durch Heterodimerisierung ihrer Cyclasedomänen hin und ermöglichte wertvolle Einsichten in mögliche Funktionen ihrer ATPase-Domäne. Dieses Protein (477-kDa) bezeichnet als TgATPaseP-GC in dieser Studie, lokalisiert in der Plasmamembran am apikalen Pol des Parasiten. TgATPaseP-GC ist unempfänglich gegenüber genetischer Deletion und seine CRISPR/Cas9 unterstützte Spaltung beendet den lytischen Zyklus von T. gondii vorzeitig. Darüber hinaus reduzierte ein Cre/loxP-vermittelter Knockdown von TgATPaseP-GC die Synthese von cGMP im Tachyzoiten und inhibierte das Parasitenwachstum aufgrund von Beeinträchtigungen Motilitäts-abhängiger Prozesse des Austretens und Eindringens. Trotz seiner zeitlich beschränkten Funktion ist TgATPaseP-GC konstitutiv während des ganzen lytischen Zyklus exprimiert, welches eine post-translationale Regulierung des cGMP-Signalweges bedingt. Nicht zuletzt impliziert das Vorhandensein von TgATPaseP-GC-Orthologen in anderen Alveolata eine divergente Umfunktionierung der cGMP-Signalwege in Protozoen. Darüber hinaus wurde ein optogenetischer Ansatz verwendet, um den cGMP-Weg durch eine photo-aktivierte Rhodopsin-Guanylat-Cyclase (RhoGC) in T. gondii zu exprimiert. Dieses System erlaubte eine kontrollierte Erhöhung von cGMP durch Licht in einer schnellen und reversiblen Weise. Die Anregung von RhoGC stimulierte signifikant die Parasitenmotilität, deren Auswirkung auch mit erhöhten Eindringen und Austreten überwacht wurde; im Gegensatz zum genetischen Knockdown von TgATPaseP-GC. Das System ermöglicht die Vermittler des cGMP-Signalwegs durch Phosphoproteomics zu identifizieren.cGMP signaling is known as one of the master regulators of diverse functions in eukaryotes; however, its architecture and functioning in protozoans remain poorly understood. In the scope of this thesis, an exclusive guanylate cyclase coupled with N-terminal P4-ATPase was reported in an obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii. In silico analysis indicated an activation of the guanylate cyclase by heterodimerization of its two cyclase domains and offered valuable insights into possible functions of its ATPase domain. This bulky protein (477-kDa), termed in this study as TgATPaseP-GC to reflect its envisaged multifunctionality, localizes in the plasma membrane at the apical pole of the parasite. TgATPaseP-GC is refractory to genetic deletion, and its CRISPR/Cas9-assisted disruption aborts the lytic cycle of T. gondii. Besides, Cre/loxP-mediated knockdown of TgATPaseP-GC reduced the synthesis of cGMP in tachyzoites and inhibited the parasite growth due to impairments of motility-dependent egress and invasion events. Notably, despite its temporally restricted function, TgATPaseP-GC is expressed constitutively throughout the lytic cycle, entailing a post-translational regulation of cGMP signaling. Not least, the occurrence of TgATPaseP-GC orthologs in several other alveolates implies a divergent functional repurposing of cGMP signaling in protozoans. Furthermore, an optogenetic approach was utilized to induce cGMP pathway by a photo-activated rhodopsin-guanylate cyclase (RhoGC) in T. gondii. The system enabled a light-control of cGMP elevation on crucial steps of lytic cycle in a fast, spatial and reversible manner. Excitation of RhoGC significantly stimulated the parasite motility of which impact was also monitored with an increased host-cell invasion and egress; as opposed to the genetic knockdown of TgATPaseP-GC. Having an established optogenetic system in the parasite allows to identify downstream targets of cGMP signaling via phosphoproteomic analysis

Cyclic GMP Signaling during the Lytic Cycle of Toxoplasma gondii

Der cGMP-Signalweg ist als einer der Hauptregulatoren von diversen Funktionen in Eukaryoten bekannt; allerdings ist seine Funktionsweise in Protozoen wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Guanylatcyclase, gekoppelt mit N-terminalen P4-ATPase, in intrazellulären Parasiten Toxoplasma gondii gemeldet. Eine in silico-Analyse wies auf eine Aktivierung der Guanylatcyclase durch Heterodimerisierung ihrer Cyclasedomänen hin und ermöglichte wertvolle Einsichten in mögliche Funktionen ihrer ATPase-Domäne. Dieses Protein (477-kDa) bezeichnet als TgATPaseP-GC in dieser Studie, lokalisiert in der Plasmamembran am apikalen Pol des Parasiten. TgATPaseP-GC ist unempfänglich gegenüber genetischer Deletion und seine CRISPR/Cas9 unterstützte Spaltung beendet den lytischen Zyklus von T. gondii vorzeitig. Darüber hinaus reduzierte ein Cre/loxP-vermittelter Knockdown von TgATPaseP-GC die Synthese von cGMP im Tachyzoiten und inhibierte das Parasitenwachstum aufgrund von Beeinträchtigungen Motilitäts-abhängiger Prozesse des Austretens und Eindringens. Trotz seiner zeitlich beschränkten Funktion ist TgATPaseP-GC konstitutiv während des ganzen lytischen Zyklus exprimiert, welches eine post-translationale Regulierung des cGMP-Signalweges bedingt. Nicht zuletzt impliziert das Vorhandensein von TgATPaseP-GC-Orthologen in anderen Alveolata eine divergente Umfunktionierung der cGMP-Signalwege in Protozoen. Darüber hinaus wurde ein optogenetischer Ansatz verwendet, um den cGMP-Weg durch eine photo-aktivierte Rhodopsin-Guanylat-Cyclase (RhoGC) in T. gondii zu exprimiert. Dieses System erlaubte eine kontrollierte Erhöhung von cGMP durch Licht in einer schnellen und reversiblen Weise. Die Anregung von RhoGC stimulierte signifikant die Parasitenmotilität, deren Auswirkung auch mit erhöhten Eindringen und Austreten überwacht wurde; im Gegensatz zum genetischen Knockdown von TgATPaseP-GC. Das System ermöglicht die Vermittler des cGMP-Signalwegs durch Phosphoproteomics zu identifizieren

Apically-located P4-ATPase1-Lem1 complex internalizes phosphatidylserine and regulates motility-dependent invasion and egress in Toxoplasma gondii

The membrane asymmetry regulated by P4-ATPases is crucial for the functioning of eukaryotic cells. The underlying spatial translocation or flipping of specific lipids is usually assured by respective P4-ATPases coupled to conforming non-catalytic subunits. Our previous work has identified five P4-ATPases (TgP4-ATPase1–5) and three non-catalytic partner proteins (TgLem1–3) in the intracellular protozoan pathogen Toxoplasma gondii. However, their flipping activity, physiological relevance and functional coupling remain unknown. Herein, we demonstrate that TgP4-ATPase1 and TgLem1 work together to translocate phosphatidylserine (PtdSer) during the lytic cycle of T. gondii. Both proteins localize in the plasma membrane at the invasive (apical) end of its acutely-infectious tachyzoite stage. The genetic knockout of P4-ATPase1 and conditional depletion of Lem1 in tachyzoites severely disrupt the asexual reproduction and translocation of PtdSer across the plasma membrane. Moreover, the phenotypic analysis of individual mutants revealed a requirement of lipid flipping for the motility, egress and invasion of tachyzoites. Not least, the proximity-dependent biotinylation and reciprocal immunoprecipitation assays demonstrated the physical interaction of P4-ATPase1 and Lem1. Our findings disclose the mechanism and significance of PtdSer flipping during the lytic cycle and identify the P4-ATPase1-Lem1 heterocomplex as a potential drug target in T. gondii