Genetic dissection of the central carbon metabolism in the intracellular parasite Toxoplasma gondii

Abstract

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter einzelliger Parasit, der fast alle warmblütigen Organismen infizieren kann. Asexuelle Fortpflanzung des Parasiten in seiner Wirtszelle wird durch aufeinanderfolgende lytische Zyklen erreicht, was die Bereitstellung einer signifikanten Menge an Energie und Biomasse erforderlich macht. Diese Arbeit zeigt, dass Glukose und Glutamin die beiden wichtigsten physiologischen Nährstoffe für die Synthese von Makromolekülen (ATP, Nukleinsäure, Proteine und Lipide) in T. gondii sind. Die Verfügbarkeit einer der beiden Kohlenstoffquellen reicht aus, um das Überleben des Parasiten sicherzustellen. Der Parasit kann durch Erhöhen des Flusses von Glutamin-abstammendem Kohlenstoff durch den TCA-Zyklus und durch gleichzeitige Aktivierung der Gluconeogenese, eine stetige Biogenese von ATP und Biomasse zur Wirtszellinvasion und Replikation gewährleisten, bzw. der genetischen Deletion des Glukosetransporters entgegenwirken. Der Wachstumsdefekt in der Glykolyse-Mutante wird durch eine kompromittierte Synthese von Lipiden verursacht, die durch Glutamin nicht ausgeglichen werden kann. Die Zugabe von exogenem Acetat kann diesen Wachstumsdefekt allerdings kompensieren. In dieser Arbeit konnten darüber hinaus zwei unterschiedliche Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) Enzyme im Parasiten identifiziert werden, von denen eines im Mitochondrium lokalisiert ist (TgPEPCKmt), während das andere Protein nicht in Tachyzoiten (TgPEPCKnet) exprimiert wird. Parasiten mit intakter Glykolyse können die Deletion von TgPEPCKnet, als auch die genetische Deletion von TgPEPCKmt tolerieren, was ihre Redundanz für das Überleben der Tachyzoiten zeigt. TgPEPCKnet kann auch in der Glykolyse-defizienten Mutante deletiert werden, während TgPEPCKmt für das Überleben des Parasiten in dieser Mutante essentiell ist. Dies zeigte sich durch ein konditionelles Knockdown von TgPEPCKmt, das zu einer Inhibierung des Wachstums des Parasiten führte.

Toxoplasma gondii is a widespread protozoan parasite, infecting nearly all warm-blooded organisms. Asexual reproduction of the parasite within its host cells is achieved by consecutive lytic cycles, which necessitates biogenesis of significant energy and biomass. This work shows that glucose and glutamine are the two major physiologically important nutrients used for the synthesis of macromolecules (ATP, nucleic acid, proteins and lipids) in T. gondii, and either of them is sufficient to ensure the parasite survival. The parasite can counteract genetic ablation of its glucose transporter by increasing the flux of glutamine-derived carbon through the TCA cycle and by concurrently activating gluconeogenesis, which guarantee a continued biogenesis of ATP and biomass for host-cell invasion and parasite replication, respectively. Growth defect in the glycolysis-impaired mutant is caused by a compromised synthesis of lipids, which cannot be counterbalanced by glutamine, but can be restored by acetate. Consistently, supplementation of parasite cultures with exogenous acetate can amend the lytic cycle of the glucose transport mutant. Furthermore, this work revealed two discrete phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) enzymes in the parasite, one of which resides in the mitochondrion (TgPEPCKmt), whereas the other protein is not expressed in tachyzoites (TgPEPCKnet). Parasites with an intact glycolysis can tolerate genetic deletions of TgPEPCKmt as well as of TgPEPCKnet, indicating their nonessential roles for the tachyzoite survival. TgPEPCKnet can also be ablated in glycolysis-deficient mutant, whereas TgPEPCKmt is refractory to deletion. In accord, the lytic cycle of a conditional mutant of TgPEPCKmt in the glycolysis-impaired strain was aborted upon induced repression of the mitochondrial isoform, demonstrating its essential role for the glucose-independent survival of tachyzoites.