Molecular and cellular basis of interactions between Anopheles gambiae and Plasmodium berghei
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Anopheles mosquitoes are important vectors of human malaria, which is caused by Plasmodium parasites in the sub-Sahara. The transmission of this disease is initiated by an infectious bite of an Anopheles mosquito. The parasite undergoes massive losses during its development in the mosquito, suggesting that mosquitoes are able to mount a potent immune response against the parasite. However, the cellular and molecular mechanisms of mosquito-parasite interactions are not completely understood. We first established an in vitro co-culture system using a mosquito hemocyte-like cell line of A. Gambiae and chose a thioester-containing protein 1 (TEP1), which acts as an opsonin and promotes phagocytosis of bacteria by hemocytes, as a candidate to study its role in mosquito-parasite interactions. We demonstrated that the mosquito cells in the co-culture system responsed to the parasite presence by activation of general immune responses, including the induction of synthesis of antimicrobial peptides and phagocytosis. As no specific interactions between TEP1 and the ookinetes could be detected, we concluded that our in vitro model is unsuitable for TEP1 functional analysis. By using a double-stranded RNA (dsRNA) silencing technique and phenotype assays, we demonstrated that the binding of TEP1 to Plasmodium parasites mediates their killing in the mosquito midgut. These results document the important role of mosquito immune responses, especially those mediated by hemocytes, in the establishment of vectorial capacity in A. Gambiae. We performed transmission electron microscopy to follow the development of P. Berghei parasites in the A. Gambiae midgut. We observed that the majority of P. Berghei ookinetes invade the mosquito midgut before complete polymerization of the peritrophic matrix. Moreover, during the invasion, ookinetes preferentially take an extracellular route to migrate across the midgut. This conclusion is important as it suggests that during midgut invasion parasites are rather facing hostile environlment of the extracellular space than the cytoplasmic milieu of the epithelial cells. We demonstrated that the previously described filamentous zone surrounding melanized parasites is composed of polymerized actin and renamed it the “actin zone”. The formation of the actin zone occurs when parasites are dead or dying, suggesting that the actin zone is not associated directly with parasite killing. The silencing of TEP1 by dsRNA abolishes the formation of the actin zone in both susceptible and refractory mosquitoes, suggesting that TEP1 could be the genetic determinant of this structure. Therefore, a model of actin-based parasite clearance is proposed: the parasite is first killed by a TEP1-dependent mechanism, and subsequently the parasite is lysed or melanized. Dead or dying parasites are recognized by epithelial cells, and the actin zone is then formed to separate the dead or dying parasites from host tissues.
Abstract FR:
Le moustique anophèle est le vecteur majeur du paludisme. Cette maladie provoquée par les parasites du genre Plasmodium est transmise par une piqûre infectieuse d'anophèle. Le parasite subit des pertes massives pendant son cycle de développement chez l'anophèle, ce qui suggère que les moustiques sont capables de développer une réaction immunitaire efficace contre le parasite. Cependant, les mécanismes cellulaires et moléculaires des interactions entre parasite et anophèle restent mal connus. Pour aborder cette étude, nous avons commencé par établir un système in vitro basée sur la culture d'une lignée cellulaire d'anophèles de type hémocytaire, en présence d'oocinètes de Plasmodium. Nous avons démontré que, dans ce système in vitro, les parasites induisent une réponse immunitaire de type non spécifique comprenant, entre autres, la synthèse de peptides antimicrobiens et la phagocytose. La protéine à motif thioester, TEP1, agit en tant qu'opsonine chez l'anophèle et favorise la phagocytose des bactéries par les hémocytes. Après avoir vérifié que notre lignée cellulaire était capable de produire une protéine TEPI fonctionnelle pour la phagocytose, nous avons utilisé ce système pour étudier la fonction de TEP1 dans la réponse antiparasitaire. Contrairement à la situation observée in vivo, nous n'avons cependant pas détecté de liaison directe entre TEP1 et la surface des oocinètes et conclu que le modèle in vitro était peu adapté à l'analyse fonctionnelle de TEP1. Nous avons alors développé la technique d'invalidation des gènes par l'ARN double brin (dsRNA) chez l'anophèle adulte et avons pu démontrer que la liaison de TEP1 sur la surface des parasites induit leur élimination dans le tube digestif du moustique. Ces résultats montrent le rôle crucial des réactions immunitaires de l'anophèle vis-à-vis du parasite. Nous avons utilisé la microscopie électronique à transmission pour suivre le développement du parasite P. Berghei chez A. Gambiae et avons observé que la majorité des oocinètes envahit les cellules épithéliales du moustique avant la polymérisation complète de la matrice péritrophique. De plus, ces oocinètes prennent préférentiellement un itinéraire extracellulaire pour migrer à travers le tube digestif. Cette observation est très importante, car elle démontre que les parasites sont confrontés à l'environnement hostile de l'espace extracellulaire du tube digestif plutôt qu'au milieu cytoplasmique des cellules épithéliales. Enfin, nous avons démontré que la dite “zone filamenteuse” qui entoure les parasites mélanisés se compose d'actine polymérisée. Nous l'avons renommée "zone d'actine". La formation de cette zone se produit lorsque les parasites sont morts ou mourants, ce qui suggère qu'elle n'est pas directement responsable de la mort des parasites. L'invalidation de TEP1 par la technique du dsRNA supprime la formation de la zone d'actine, ce qui montre l'implication, directe ou indirecte, de TEP1 dans cette structure. Nous proposons ainsi un modèle d'élimination parasitaire: le parasite est d'abord tué par un mécanisme dépendant de TEP1, puis, subit une lyse ou mélanisation. Les cellules épithéliales identifient les parasites morts ou mourants et se protègent par polymérisation d'actine dans la zone de contact.