thesis

Interaction hôte-pathogène : mécanisme d’inhibition de la synthèse protéique humaine par la protéine circumsporozoïte de Plasmodium falciparum, agent du paludisme

Defense date:

Jan. 1, 2011

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Institution:

Strasbourg

Disciplines:

Molecular and cellular biology

Authors:

Directors:

Abstract EN:

During my PhD, I was concerned by the study of the host-parasite interaction and its consequences on protein synthesis in human and Plasmodium falciparum (parasite responsible of the malaria) respectively. I have developed two major aspects : (i) The study of the aminoacylation reaction of transfer RNA and thus by comparison of human and parasite systems and (ii) the understanding of the mechanism of inhibition of protein synthesis in human by the Circumsporozoite protein of the parasite, a transmembrane protein which is secreted during the parasite infection of host hepatocytes. The plasmodial cytosolic tyrosyl-tRNA synthetase is a classical synthetase concerning its structural organization. It possesses two functional domains, catalytic domain and tRNA binding one. The kinetic characteristics of the aminocylation reaction (Km, Kcat and plateau) were determined. I have clearly shown that plasmodial TyrRS animoacylates both transcripts of plasmodial and human tRNATyr with the same efficiency. On the other hand, only a small fraction of modified human tRNATyr was aminoacylated by the parasite enzyme. These results indicate that crossaminoacylation reactions between the parasite and human are possible, but their efficiency varies from one system to another. Concerning the apicoplastic TyrRS, this enzyme, at the opposite of the cytosolic one, it presents two insertions. These insertions are characteristic of some parasite proteins and are called LCR (Low Complexity Region). The presence of such sequences in the apicoplastic TyrRS but also in other parasite proteins makes their expression in heterologous systems a difficult obstacle in the study of the parasite. During my PhD work, I did participate to the collaboration of a new hypothese concerning the function and the role of these insertions in the production of soluble proteins. These LCRs play a key role in the co-translational folding of the parasite proteins. Finally, the big part of my work concerns the study of consequence of the host-parasite interactions on protein synthesis in human liver cells during the hepatic stage of the infection. During this stage, the parasite is covered by a transmembrane protein called the Circumsporozoite protein (CSP). Previous study in 1997 showed that CSP is secreted by the parasite, and co-localizes with endoplasmique reticulum where it does probably inhibit host translation. I have demonstrated by using rabbit reticulocytes lysate, that CSP inhibits efficiently translation and that by inhibiting the formation of pre-initiation complex 48 S. This inhibition involves a direct interaction between the CSP and the small ribosomal particle 40 S. This work shows for the first time that parasites, like some virus, could affect directly host protein synthesis. My work is part of large project concerning the study of hepatic stage of the infection; in this manuscript I will discuss the role and the consequences of such translation inhibition on the parasite life cycle.

Abstract FR:

Au cours de ma thèse, je me suis intéressée à l’étude de l’influence de l’interaction hôte-parasite sur la synthèse protéique de l’Homme et de Plasmodium falciparum (parasite responsable du paludisme), respectivement. J’ai développé deux aspects : (i) l’étude de l’étape d’aminoacylation des ARN de transfert (ARNt) en comparant les systèmes de l’Homme et du parasite et (ii) l’élucidation d’un mécanisme d’inhibition de la synthèse protéique chez l’Homme par une protéine de surface secrétée par le parasite lors de l’infection des hépatocytes. Chez Plasmodium falciparum, la Tyrosyl-ARNt synthétase (TyrRS) cytosolique est “classique “ du point de vue organisation structurale. Elle est constituée de deux modules fonctionnels, un domaine catalytique et un domaine de liaison à l’ARNt. Les caractéristiques cinétiques d’aminoacylation (KM, Kcat et plateau) de l’enzyme ont été déterminées. J’ai montré que la TyrRs du parasite aminoacyle avec la même efficacité les transcrits d’ARNtTyr de Plasmodium et de l’Homme. En revanche, seulement une fraction d’ARNt modifiés humains sont chargeables par l’enzyme du parasite, indiquant que les réactions d’aminoacylation “croisées “ entre les systèmes du parasite et de l’Homme sont possibles, mais que leur efficacité varie d’un système à l’autre. Contrairement à la TyrRS cytosolique, la TyrRS apicoplastique du parasite est caractérisée par la présence de deux insertions. Ces insertions sont caractéristiques des protéines du parasite et sont appelées LCR (Low Complexity Region). La présence de ces LCR dans la TyrRS apicoplastique, mais aussi dans la majorité des autres protéines de Plasmodium est une contrainte pour leur expression dans un organisme hétérologue. Cette difficulté est une limite considérable dans l’étude de Plasmodium. Au cours de mon travail de thèse, j’ai participé à l’élaboration d’une théorie quant à la fonction de ces LCR et à leur importance pour la production des protéines solubles. Ces LCR seraient impliquées dans le processus de repliement co-traductionnel des protéines du parasite. Enfin, la plus grande partie de mon travail a consisté à étudier une l’effet de l’interaction hôte-pathogène sur la synthèse protéine dans les cellules du foie humain au cours de la phase hépatique de l’infection. Les sporozoïtes qui infectent le foie présentent à leur surface une protéine membranaire appelée la protéine circumsporozoïte (CSP). Des résultats antérieurs datant de 1997 montrent que la CSP est sécrété, elle se localise au niveau du réticulum endoplasmique et inhibe la traduction dans la cellule hôte. J’ai démontré in vitro, en utilisant des réticulocytes de lapin, que la CSP inhibe la traduction très efficacement, que cette inhibition prend place au niveau de la formation du complexe d’initiation 48 S et que c’est le résultat de l’interaction directe de la CSP sur la petite sous-unité ribosomale 40 S humaine. L’ensemble de ce travail montre pour la première fois que, comme les virus, les parasites peuvent agir directement sur la synthèse protéique de leur hôte. En replaçant mon étude dans le cadre du travail de l’équipe, je discute du rôle éventuel de cette inhibition sur le développement du parasite.