Apicoplast-localized lysophosphatidic acid precursor assembly is required for bulk phospholipid synthesis in toxoplasma gondii and relies on an algal/plant-like glycerol 3-phosphate acyltransferase

Most apicomplexan parasites possess a non-photosynthetic plastid (the apicoplast), which harbors enzymes for a number of metabolic pathways, including a prokaryotic type II fatty acid synthesis (FASII) pathway. In Toxoplasma gondii, the causative agent of toxoplasmosis, the FASII pathway is essential for parasite growth and infectivity. However, little is known about the fate of fatty acids synthesized by FASII. In this study, we have investigated the function of a plant-like glycerol 3-phosphate acyltransferase (TgATS1) that localizes to the T. gondii apicoplast. Knock-down of TgATS1 resulted in significantly reduced incorporation of FASII-synthesized fatty acids into phosphatidic acid and downstream phospholipids and a severe defect in intracellular parasite replication and survival. Lipidomic analysis demonstrated that lipid precursors are made in, and exported from, the apicoplast for de novo biosynthesis of bulk phospholipids. This study reveals that the apicoplast-located FASII and ATS1, which are primarily used to generate plastid galactolipids in plants and algae, instead generate bulk phospholipids for membrane biogenesis in T. gondii

Etude de la synthèse des précurseurs majeurs à la synthèse des lipides membraniares : l'acide lysophosphatidique et l'acide phosphatidique chez Toxoplasma gondii

Apicomplexa phylum includes a large number of obligate intracellular parasites responsible for important human and animal diseases, especially malaria and toxoplasmosis. There is current no efficient vaccine against these parasites. Severe toxoplasmosis caused by Toxoplasma gondii, occurs in immunocompromised individuals and during congenital infection. T. gondii is dependent on large amounts of lipids for its intracellular development within the host cell. These lipids are acquired by a combination of host lipid scavenging and de novo biosynthetic pathways. T. gondii is able to de novo synthesis of fatty acid via a prokaryotic FASII pathway in the apicoplast, a relict non-photosynthetic plastid. Genome mining suggests that the apicoplast can generate phosphatidic acid, central phospholipid precursor. Our recent work confirmed that the apicoplast harbors the first step of PA synthesis via a glycerol-3-phosphate acyltransferase enzyme called ATS1 by homology to chloroplast enzyme, which generates lysophosphatidic acid (LPA). This essential LPA can be exported from the apicoplast for the de novo bulk synthesis of phospholipids sustaining parasite membrane biogenesis (Amiar et al. Plos Path. 2016). T. gondii genome encodes for two other acyltransferases named sn-acylglycerol 3-Phosphate acyltransferases (AGPAT). AGPATs ensure the second step of PA synthesis using LPA. In this work we showed that these enzymes are localized in the Endoplasmic Reticulum and the apicoplast (named AGPAT and ATS2, respectively). A genetic disruption of ATS2 using CRISPR-Cas9 strategy affects parasite growth and normal cytokinesis. Lipidomic analysis using mass spectrometry combined to stable isotope labelling of ATS2-KO reveals an important reduction of lipids containing apicoplast-generated fatty acid C14:0. However, an increase of lipids containing C16 and C18 fatty acids was observed, suggesting a compensation of ATS2 loss by AGPAT activity in ER. These data indicated an important collaboration between apicoplast and ER for lipid synthesis that involves massive lipid trafficking between the two organelles.Les Apicomplexa sont des parasites intracellulaires obligatoires. Ils peuvent être responsables d’importantes maladies infectieuses. Toxoplasma gondii par exemple, se développe au sein de la cellule hôte, dans une niche protectrice « la vacuole parasitophore » jusqu’à épuisement des ressources de la cellule hôte ou il provoque sa sortie pour ré envahir à nouveau, c’est la phase aigüe de la toxoplasmose. Afin de répondre à leur besoins nutritifs nécessaires à cette expansion rapide, le parasite combine de manière intéressante et très complexe les voies de synthèse de novo et d’import des nutriments depuis la cellule hôte. Dans le cas des lipides, le parasite en a besoin en une importante quantité pour assurer la ségrégation des organites, la formation des nouvelles membranes filles et l’expansion de la membrane de la vacuole parasitophore pendant la division. La synthèse de novo des lipides a été reportée essentielles pour le parasite tout comme la synthèse de novo des acides gras via la voie procaryote de synthèse des acides gras FASII dans l’apicoplaste.Dans cette étude nous apportant des éléments intéressants qui relient la voie de synthèse FASII et la synthèse des lipides. Nous avons pu démontrer que l’apicoplaste possède une voie de synthèse des précurseurs important voire essentielles à la synthèse de tous les lipides membranaires, qui est principalement le LPA dans le cas de T. gondii. Les enzymes acyltransférase impliquées dans la synthèse de ces précurseurs sont TgATS1 et TgATS2 pour former le LPA et le PA respectivement. Elles sont ortologues aux enzymes précédemment caractérisées chez les bactéries et le chloroplaste des plantes et algues. Les modifications de ces enzymes et les analyses de lipidique et de spectrométrie de masse, ont révélé le rôle l’implication de ces enzymes dans la synthèse des phospholipides membranaires à partir des acides gras néo synthétisés de novo (le C14:0). Cette étude présente aussi des résultats préliminaires sur une voie de synthèse du PA dans le réticulum endoplasmique. La être de TgATS2 n’est pas létale et elle est compensée par augmentation de l’abondance des acides gras C16 :0 et C18 :0 dans la fraction des phospholipides extraits. Ces informations suggèrent une importante collaboration entre l’apicoplaste et le réticulum endoplasmique pour la synthèse des lipides nécessaires pour le développement intracellulaire du parasite

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Les Apicomplexa sont des parasites intracellulaires obligatoires. Ils peuvent être responsables d’importantes maladies infectieuses. Toxoplasma gondii par exemple, se développe au sein de la cellule hôte, dans une niche protectrice « la vacuole parasitophore » jusqu’à épuisement des ressources de la cellule hôte ou il provoque sa sortie pour ré envahir à nouveau, c’est la phase aigüe de la toxoplasmose. Afin de répondre à leur besoins nutritifs nécessaires à cette expansion rapide, le parasite combine de manière intéressante et très complexe les voies de synthèse de novo et d’import des nutriments depuis la cellule hôte. Dans le cas des lipides, le parasite en a besoin en une importante quantité pour assurer la ségrégation des organites, la formation des nouvelles membranes filles et l’expansion de la membrane de la vacuole parasitophore pendant la division. La synthèse de novo des lipides a été reportée essentielles pour le parasite tout comme la synthèse de novo des acides gras via la voie procaryote de synthèse des acides gras FASII dans l’apicoplaste.Dans cette étude nous apportant des éléments intéressants qui relient la voie de synthèse FASII et la synthèse des lipides. Nous avons pu démontrer que l’apicoplaste possède une voie de synthèse des précurseurs important voire essentielles à la synthèse de tous les lipides membranaires, qui est principalement le LPA dans le cas de T. gondii. Les enzymes acyltransférase impliquées dans la synthèse de ces précurseurs sont TgATS1 et TgATS2 pour former le LPA et le PA respectivement. Elles sont ortologues aux enzymes précédemment caractérisées chez les bactéries et le chloroplaste des plantes et algues. Les modifications de ces enzymes et les analyses de lipidique et de spectrométrie de masse, ont révélé le rôle l’implication de ces enzymes dans la synthèse des phospholipides membranaires à partir des acides gras néo synthétisés de novo (le C14:0). Cette étude présente aussi des résultats préliminaires sur une voie de synthèse du PA dans le réticulum endoplasmique. La être de TgATS2 n’est pas létale et elle est compensée par augmentation de l’abondance des acides gras C16 :0 et C18 :0 dans la fraction des phospholipides extraits. Ces informations suggèrent une importante collaboration entre l’apicoplaste et le réticulum endoplasmique pour la synthèse des lipides nécessaires pour le développement intracellulaire du parasite.Apicomplexa phylum includes a large number of obligate intracellular parasites responsible for important human and animal diseases, especially malaria and toxoplasmosis. There is current no efficient vaccine against these parasites. Severe toxoplasmosis caused by Toxoplasma gondii, occurs in immunocompromised individuals and during congenital infection. T. gondii is dependent on large amounts of lipids for its intracellular development within the host cell. These lipids are acquired by a combination of host lipid scavenging and de novo biosynthetic pathways. T. gondii is able to de novo synthesis of fatty acid via a prokaryotic FASII pathway in the apicoplast, a relict non-photosynthetic plastid. Genome mining suggests that the apicoplast can generate phosphatidic acid, central phospholipid precursor. Our recent work confirmed that the apicoplast harbors the first step of PA synthesis via a glycerol-3-phosphate acyltransferase enzyme called ATS1 by homology to chloroplast enzyme, which generates lysophosphatidic acid (LPA). This essential LPA can be exported from the apicoplast for the de novo bulk synthesis of phospholipids sustaining parasite membrane biogenesis (Amiar et al. Plos Path. 2016). T. gondii genome encodes for two other acyltransferases named sn-acylglycerol 3-Phosphate acyltransferases (AGPAT). AGPATs ensure the second step of PA synthesis using LPA. In this work we showed that these enzymes are localized in the Endoplasmic Reticulum and the apicoplast (named AGPAT and ATS2, respectively). A genetic disruption of ATS2 using CRISPR-Cas9 strategy affects parasite growth and normal cytokinesis. Lipidomic analysis using mass spectrometry combined to stable isotope labelling of ATS2-KO reveals an important reduction of lipids containing apicoplast-generated fatty acid C14:0. However, an increase of lipids containing C16 and C18 fatty acids was observed, suggesting a compensation of ATS2 loss by AGPAT activity in ER. These data indicated an important collaboration between apicoplast and ER for lipid synthesis that involves massive lipid trafficking between the two organelles

Etude de la synthèse des précurseurs majeurs à la synthèse des lipides membraniares : l'acide lysophosphatidique et l'acide phosphatidique chez Toxoplasma gondii

Apicomplexa phylum includes a large number of obligate intracellular parasites responsible for important human and animal diseases, especially malaria and toxoplasmosis. There is current no efficient vaccine against these parasites. Severe toxoplasmosis caused by Toxoplasma gondii, occurs in immunocompromised individuals and during congenital infection. T. gondii is dependent on large amounts of lipids for its intracellular development within the host cell. These lipids are acquired by a combination of host lipid scavenging and de novo biosynthetic pathways. T. gondii is able to de novo synthesis of fatty acid via a prokaryotic FASII pathway in the apicoplast, a relict non-photosynthetic plastid. Genome mining suggests that the apicoplast can generate phosphatidic acid, central phospholipid precursor. Our recent work confirmed that the apicoplast harbors the first step of PA synthesis via a glycerol-3-phosphate acyltransferase enzyme called ATS1 by homology to chloroplast enzyme, which generates lysophosphatidic acid (LPA). This essential LPA can be exported from the apicoplast for the de novo bulk synthesis of phospholipids sustaining parasite membrane biogenesis (Amiar et al. Plos Path. 2016). T. gondii genome encodes for two other acyltransferases named sn-acylglycerol 3-Phosphate acyltransferases (AGPAT). AGPATs ensure the second step of PA synthesis using LPA. In this work we showed that these enzymes are localized in the Endoplasmic Reticulum and the apicoplast (named AGPAT and ATS2, respectively). A genetic disruption of ATS2 using CRISPR-Cas9 strategy affects parasite growth and normal cytokinesis. Lipidomic analysis using mass spectrometry combined to stable isotope labelling of ATS2-KO reveals an important reduction of lipids containing apicoplast-generated fatty acid C14:0. However, an increase of lipids containing C16 and C18 fatty acids was observed, suggesting a compensation of ATS2 loss by AGPAT activity in ER. These data indicated an important collaboration between apicoplast and ER for lipid synthesis that involves massive lipid trafficking between the two organelles.Les Apicomplexa sont des parasites intracellulaires obligatoires. Ils peuvent être responsables d’importantes maladies infectieuses. Toxoplasma gondii par exemple, se développe au sein de la cellule hôte, dans une niche protectrice « la vacuole parasitophore » jusqu’à épuisement des ressources de la cellule hôte ou il provoque sa sortie pour ré envahir à nouveau, c’est la phase aigüe de la toxoplasmose. Afin de répondre à leur besoins nutritifs nécessaires à cette expansion rapide, le parasite combine de manière intéressante et très complexe les voies de synthèse de novo et d’import des nutriments depuis la cellule hôte. Dans le cas des lipides, le parasite en a besoin en une importante quantité pour assurer la ségrégation des organites, la formation des nouvelles membranes filles et l’expansion de la membrane de la vacuole parasitophore pendant la division. La synthèse de novo des lipides a été reportée essentielles pour le parasite tout comme la synthèse de novo des acides gras via la voie procaryote de synthèse des acides gras FASII dans l’apicoplaste.Dans cette étude nous apportant des éléments intéressants qui relient la voie de synthèse FASII et la synthèse des lipides. Nous avons pu démontrer que l’apicoplaste possède une voie de synthèse des précurseurs important voire essentielles à la synthèse de tous les lipides membranaires, qui est principalement le LPA dans le cas de T. gondii. Les enzymes acyltransférase impliquées dans la synthèse de ces précurseurs sont TgATS1 et TgATS2 pour former le LPA et le PA respectivement. Elles sont ortologues aux enzymes précédemment caractérisées chez les bactéries et le chloroplaste des plantes et algues. Les modifications de ces enzymes et les analyses de lipidique et de spectrométrie de masse, ont révélé le rôle l’implication de ces enzymes dans la synthèse des phospholipides membranaires à partir des acides gras néo synthétisés de novo (le C14:0). Cette étude présente aussi des résultats préliminaires sur une voie de synthèse du PA dans le réticulum endoplasmique. La être de TgATS2 n’est pas létale et elle est compensée par augmentation de l’abondance des acides gras C16 :0 et C18 :0 dans la fraction des phospholipides extraits. Ces informations suggèrent une importante collaboration entre l’apicoplaste et le réticulum endoplasmique pour la synthèse des lipides nécessaires pour le développement intracellulaire du parasite

Etude de la synthèse des précurseurs majeurs à la synthèse des lipides membranaires : l’acide lysophosphatidique et l’acide phosphatidique chez Toxoplasma gondii.

Apicomplexa phylum includes a large number of obligate intracellular parasites responsible for important human and animal diseases, such as Toxoplasma gondii. This parasite depends on a large amount of lipids for its intracellular development within the host cell. These lipids are acquired by a combination of host lipid scavenging and de novo biosynthetic pathways. T. gondii is able to de novo synthesis of fatty acid via a prokaryotic FASII pathway in the apicoplast. Our recent work confirmed that the apicoplast harbours the first step of PA synthesis via a glycerol-3-phosphate acyltransferase (ATS1) to form the lysophosphatidic acid (LPA). This essential LPA can be exported from the apicoplast for the de novo bulk synthesis of phospholipids sustaining parasite membrane biogenesis. T. gondii genome encodes for two other acyltransferases named sn-acylglycerol 3-phosphate acyltransferases (AGPAT). AGPATs ensure the second step of PA synthesis using LPA. In this work we showed that these enzymes are localized in the Endoplasmic Reticulum and the apicoplast (AGPAT and ATS2, respectively). A genetic disruption of ATS2 affects parasite growth and normal cytokinesis. Lipidomic analysis using mass spectrometry combined to stable isotope labelling of ATS2-KO reveals an important reduction of lipids containing apicoplast-generated fatty acid C14:0. However, an increase of lipids containing C16 and C18 fatty acids was observed, suggesting a compensation of ATS2 loss by AGPAT activity in ER may be using host cell fatty acids. These data indicated an important collaboration between apicoplast and ER for lipid synthesis that involves massive lipid trafficking between the two organelles.Toxoplasma gondii est un parasite intracellulaire obligatoire, responsable de la toxoplasmose humaine. Ce parasite combine des voies de synthèse de novo essentielles ainsi que des mécanismes d’import massif des lipides de sa cellule hôte. Cette combinaison d'apports lipidiques unique est cruciale pour accumuler et générer une quantité suffisante d’éléments lipidiques nécessaires à la ségrégation des organites des cellules filles, la formation des nouvelles membranes filles et l’expansion de la membrane de la vacuole parasitophore dans laquelle se développe le parasite. Au cours de cette étude, de nouvelles voies métaboliques sont identifiées dans l’apicoplaste et relient la voie de synthèse des acides gras FASII et la synthèse en masse des lipides membranaires. Nous avons pu démontrer que l’apicoplaste possède une voie de synthèse des précurseurs membranaires, dont l’acide lysophosphatidique, essentiels à la synthèse de tous les lipides membranaires chez T. gondii. Les enzymes acyltransférases responsables de la synthèse de ces précurseurs sont TgATS1 et TgATS2 génèrent respectivement le LPA et le PA. Elles sont orthologues aux enzymes décrites dans les bactéries et le chloroplaste. Les modifications de ces enzymes et les analyses lipidiques par spectrométrie de masse, ont révélé le rôle prépondérant et l’implication de ces enzymes dans la synthèse des phospholipides membranaires à partir de l’acide gras C14:0 synthétisé de novo au niveau du plaste du parasite. La perte d'ATS1 tue le parasite en empêchant la formation et le développement de ses organites intracellulaires. La perte d’ATS2 n’est pas létale et elle est compensée par une augmentation de l’abondance des acides gras C16:0 et C18:0 probablement issus de la cellule hôte. Cette étude présente aussi des résultats préliminaires sur une voie de synthèse du PA dans le réticulum endoplasmique. Nos résultats suggèrent une importante collaboration entre l’apicoplaste et le réticulum endoplasmique pour la synthèse des lipides nécessaires pour le développement intracellulaire du parasite

Etude de la synthèse des précurseurs majeurs à la synthèse des lipides membraniares : l'acide lysophosphatidique et l'acide phosphatidique chez Toxoplasma gondii

Apicomplexa phylum includes a large number of obligate intracellular parasites responsible for important human and animal diseases, especially malaria and toxoplasmosis. There is current no efficient vaccine against these parasites. Severe toxoplasmosis caused by Toxoplasma gondii, occurs in immunocompromised individuals and during congenital infection. T. gondii is dependent on large amounts of lipids for its intracellular development within the host cell. These lipids are acquired by a combination of host lipid scavenging and de novo biosynthetic pathways. T. gondii is able to de novo synthesis of fatty acid via a prokaryotic FASII pathway in the apicoplast, a relict non-photosynthetic plastid. Genome mining suggests that the apicoplast can generate phosphatidic acid, central phospholipid precursor. Our recent work confirmed that the apicoplast harbors the first step of PA synthesis via a glycerol-3-phosphate acyltransferase enzyme called ATS1 by homology to chloroplast enzyme, which generates lysophosphatidic acid (LPA). This essential LPA can be exported from the apicoplast for the de novo bulk synthesis of phospholipids sustaining parasite membrane biogenesis (Amiar et al. Plos Path. 2016). T. gondii genome encodes for two other acyltransferases named sn-acylglycerol 3-Phosphate acyltransferases (AGPAT). AGPATs ensure the second step of PA synthesis using LPA. In this work we showed that these enzymes are localized in the Endoplasmic Reticulum and the apicoplast (named AGPAT and ATS2, respectively). A genetic disruption of ATS2 using CRISPR-Cas9 strategy affects parasite growth and normal cytokinesis. Lipidomic analysis using mass spectrometry combined to stable isotope labelling of ATS2-KO reveals an important reduction of lipids containing apicoplast-generated fatty acid C14:0. However, an increase of lipids containing C16 and C18 fatty acids was observed, suggesting a compensation of ATS2 loss by AGPAT activity in ER. These data indicated an important collaboration between apicoplast and ER for lipid synthesis that involves massive lipid trafficking between the two organelles.Les Apicomplexa sont des parasites intracellulaires obligatoires. Ils peuvent être responsables d’importantes maladies infectieuses. Toxoplasma gondii par exemple, se développe au sein de la cellule hôte, dans une niche protectrice « la vacuole parasitophore » jusqu’à épuisement des ressources de la cellule hôte ou il provoque sa sortie pour ré envahir à nouveau, c’est la phase aigüe de la toxoplasmose. Afin de répondre à leur besoins nutritifs nécessaires à cette expansion rapide, le parasite combine de manière intéressante et très complexe les voies de synthèse de novo et d’import des nutriments depuis la cellule hôte. Dans le cas des lipides, le parasite en a besoin en une importante quantité pour assurer la ségrégation des organites, la formation des nouvelles membranes filles et l’expansion de la membrane de la vacuole parasitophore pendant la division. La synthèse de novo des lipides a été reportée essentielles pour le parasite tout comme la synthèse de novo des acides gras via la voie procaryote de synthèse des acides gras FASII dans l’apicoplaste.Dans cette étude nous apportant des éléments intéressants qui relient la voie de synthèse FASII et la synthèse des lipides. Nous avons pu démontrer que l’apicoplaste possède une voie de synthèse des précurseurs important voire essentielles à la synthèse de tous les lipides membranaires, qui est principalement le LPA dans le cas de T. gondii. Les enzymes acyltransférase impliquées dans la synthèse de ces précurseurs sont TgATS1 et TgATS2 pour former le LPA et le PA respectivement. Elles sont ortologues aux enzymes précédemment caractérisées chez les bactéries et le chloroplaste des plantes et algues. Les modifications de ces enzymes et les analyses de lipidique et de spectrométrie de masse, ont révélé le rôle l’implication de ces enzymes dans la synthèse des phospholipides membranaires à partir des acides gras néo synthétisés de novo (le C14:0). Cette étude présente aussi des résultats préliminaires sur une voie de synthèse du PA dans le réticulum endoplasmique. La être de TgATS2 n’est pas létale et elle est compensée par augmentation de l’abondance des acides gras C16 :0 et C18 :0 dans la fraction des phospholipides extraits. Ces informations suggèrent une importante collaboration entre l’apicoplaste et le réticulum endoplasmique pour la synthèse des lipides nécessaires pour le développement intracellulaire du parasite

Toxoplasma gondii acetyl-CoA synthetase is involved in fatty acid elongation (of long fatty acid chains) during tachyzoite life stages

International audienc

The pentatricopeptide repeat MTSF1 protein stabilizes the nad4 mRNA in Arabidopsis mitochondria

Gene expression in plant mitochondria involves a complex collaboration of transcription initiation and termination, as well as subsequent mRNA processing to produce mature mRNAs. In this study, we describe the function of the Arabidopsis mitochondrial stability factor 1 (MTSF1) gene and show that it encodes a pentatricopeptide repeat protein essential for the 3′-processing of mitochondrial nad4 mRNA and its stability. The nad4 mRNA is highly destabilized in Arabidopsis mtsf1 mutant plants, which consequently accumulates low amounts of a truncated form of respiratory complex I. Biochemical and genetic analyses demonstrated that MTSF1 binds with high affinity to the last 20 nucleotides of nad4 mRNA. Our data support a model for MTSF1 functioning in which its association with the last nucleotides of the nad4 3′ untranslated region stabilizes nad4 mRNA. Additionally, strict conservation of the MTSF1-binding sites strongly suggests that the protective function of MTSF1 on nad4 mRNA is conserved in dicots. These results demonstrate that the mRNA stabilization process initially identified in plastids, whereby proteins bound to RNA extremities constitute barriers to exoribonuclease progression occur in plant mitochondria to protect and concomitantly define the 3′ end of mature mitochondrial mRNAs. Our study also reveals that short RNA molecules corresponding to pentatricopeptide repeat-binding sites accumulate also in plant mitochondria