Caractérisation fonctionnelle du PhosphoTyrosyl Phosphatase Activator chez Plasmodium falciparum : rôle dans la régulation de PP2A et de PP1

Abstract

Malaria is the most deadly parasitic disease in the world caused by the Apicomplexa protozoan Plasmodium falciparum. This parasite is responsible for 219 million cases and 660 000 deaths per year and the drug resistance increases the prevalence and the morbidity. The emergence of multi-drug resistance requires the development of new therapeutics. Hence, a better understanding of parasitic fundamental biology is necessary. In this context, one research axis is the cell cycle regulation of Plasmodium, notably phosphorylation/dephosphorylation mechanisms which are essential for the parasite.Among the actors of the reversible phosphorylation, the serine/threonine phosphatase type 2A (PP2A) in eukaryote is, with PP1, one of the major phosphatases. It is involved in several cell processes like mitosis, meiosis or apoptosis. PP2A is composed of a catalytic subunit (PP2Ac), a scaffold subunit (A) and a regulatory subunit (B). There are four regulatory subunit families which regulate location, specificity and activity of PP2A. Furthermore, several independent regulatory proteins including inhibitor 1 and 2, the α4 protein or the phosphotyrosyl phosphatase activator (PTPA) were identified.In Plasmodium falciparum, the protein phosphatase type 2A named PfPP2A has been characterized and seems to be essential for the parasite asexual development as shown by the inhibition of parasitic growth after treatment with natural toxins inhibiting phosphatases. However, its regulation is still poorly understood in Plasmodium. Indeed, only the PP2A inhibitor 2 is characterized in P. falciparum and in P. berghei (a rodent specific Plasmodium species). Using an in silico study, we have identified a putative scaffold subunit and only one B subunit. Among the regulatory proteins, we have identified orthologs of the inhibitor 1, α4 and PTPA. The purpose of this thesis is to study PfPTPA both of the molecular and functional levels.The molecular characterization of PfPTPA showed the evolutionary conservation of this protein. The PfPTPA sequence analysis revealed that five out of six amino acids involved in interaction with PP2A in human, are conserved in P. falciparum. In vitro binding and functional studies revealed that PfPTPA binds to and activates PfPP2A. Mutation studies showed that three residues (V283, G292 and M296) of PfPTPA are indispensable for the interaction and that G292 residue is essential for its activity. Localization studies indicated that PfPTPA and PfPP2A are localized in the same cellular compartment throughout the erythrocytic cycle of P. falciparum, suggesting a possible interaction of both proteins in vivo. In Plasmodium falciparum, genetic studies likely suggested the essentiality of PfPTPA for the completion of intraerythrocytic parasite lifecycle. Functionnal studies, using Xenopus oocyte, showed that PfPTPA blocked the G2/M transition. Further analysis of PfPTPA sequence revealed that PfPTPA, unlike its human counterpart, possess one of the most canonical binding motif to PP1 (RVxF motif). The identification of this RVxF motif led us to study the role PfPTPA on PfPP1. Thus, we have shown that PfPTPA interacts with PfPP1 but was unable to regulate PfPP1 activity in vitro. This work allowed characterizing the PfPTPA, an activator of protein phosphatase type 2A in Plasmodium falciparum and to show some specificities when compared to its human ortholog. Our data which suggest that this regulator could be involved in cell cycle regulation, together with its essentiality for the growth of P. falciparum strongly support the idea to explore it as potential drug target.Le paludisme est la première endémie parasitaire mondiale causée par le protozoaire Plasmodium. Cette parasitose est responsable de 219 millions de cas et 660 000 décès par an. La prévalence et la mortalité élevées sont liées notamment à la résistance des parasites aux traitements existants, ce qui rend primordial le développement de nouvelles thérapeutiques. Pour ce faire, une meilleure connaissance de la biologie fondamentale du parasite est nécessaire. Dans ce contexte l’un des axes de recherche concerne la régulation du cycle cellulaire chez Plasmodium et notamment les mécanismes de phosphorylation/déphosphorylation qui sont essentiels.Parmi les nombreux acteurs des mécanismes de phosphorylation, la sérine/thréonine protéine phosphatase de type 2A (PP2A) est, avec PP1, l’une des phosphatases majeures. Cette phosphatase est impliquée dans de nombreux processus cellulaires notamment la mitose, la méiose ou encore l’apoptose. Elle est composée d’une sous-unité catalytique (PP2Ac), d’une sous-unité d’aide à l’agencement spatial (A) et d’une sous-unité régulatrice (B). Il existe quatre familles de sous-unités régulatrices contenant chacune plusieurs membres qui permettent de réguler la localisation, la spécificité et l’activité de PP2A. Il existe également des protéines régulatrices indépendantes, notamment les inhibiteurs 1 et 2, la protéine α4 et le PhosphoTyrosyl Phosphatase Activator (PTPA). Chez Plasmodium falciparum, la protéine phosphatase de type 2A ou PfPP2A a été identifiée et semble essentielle pour le développement asexué du parasite. Cependant, peu de choses sont connues sur sa régulation chez le parasite. En effet, seul l’inhibiteur 2 de PP2A a été décrit et caractérisé. Au cours de cette thèse, nous avons effectué par des études in silico un recensement des régulateurs putatifs de PfPP2A. Ces études nous ont permis d’identifier la sous-unité A et une unique sous-unité B. Parmi les régulateurs spécifiques, outre l’inhibiteur 2 déjà caractérisé, l’analyse du génome du parasite montre qu’il contient un orthologue de l’inhibiteur 1, d’α4 et de PTPA. Le projet de cette thèse s’articule autour de la caractérisation moléculaire et fonctionnelle de l’un de ces régulateurs : PfPTPA.La caractérisation moléculaire de PfPTPA a permis de montrer dans ce travail la conservation de cette protéine au cours de l’évolution. L’analyse de sa séquence a révélé que cinq des six motifs de fixation à la PP2A identifiés chez l’homme sont conservés. Par des études in vitro et in vivo dans un modèle hétérologue, nous avons pu confirmer le rôle d’activateur de PfPTPA vis-à-vis de la PP2A. Par une approche de mutation unique d’acides aminés, nous avons identifié trois résidus impliqués dans l’interaction et l’activité de PfPTPA notamment le résidu G292 qui est essentiel pour l’interaction PfPTPA/PfPP2A. Nous avons ensuite montré par des études de génétique inverse que PfPP2A et PfPTPA, qui sont présents dans le même compartiment cellulaire au cours du cycle érythrocytaire, sont essentielles pour la complétion du cycle intra-érythrocytaire du parasite. De plus, PfPTPA semble impliqué dans le cycle cellulaire chez le xénope.En parallèle, l’analyse de la séquence de PfPTPA, a révélé la présence, spécifique au parasite, d’un motif de fixation à la PP1 (motif RVxF). L’identification de ce motif, nous a incités à étudier la relation entre PfPTPA et PfPP1. Nous avons ainsi pu montrer que PfPTPA était capable de se lier à PfPP1 même si elle est incapable de réguler son activité.L’ensemble de ce travail de thèse a permis de caractériser chez Plasmodium falciparum un activateur de la protéine phosphatase de type 2A et de montrer sa spécificité par rapport à la protéine humaine. Nos résultats, et notamment l’implication de PfPTPA dans la régulation du cycle cellulaire, font de ce régulateur une cible thérapeutique potentielle