Physiological importance of phospholipid biogenesis in Toxoplasma gondii

Abstract

Toxoplasma gondii ist ein obligater intrazellulärer Parasit, der bei Menschen und Nutztieren Toxoplasmose verursacht. Die Phospholipid-Biosynthese ist entscheidend für das erfolgreiche intrazelluläre Überleben und die Replikation des Parasiten, da sie eine wichtige Rolle bei der Biogenese von Membranorganellen, der Signal- transduktion und anderen zellulären Prozessen spielt. Hier untersuchten wir die physiologische Bedeutung von zwei Synthesewegen, die für PtdEtn und PtdIns verantwortlich sind. Wir zeigen das Vorhandensein einer neuartigen PtdIns-Synthase (PIS) in T. gondii, die als TgPIS bezeichnet wird und ein funktionelles Enzym mit einem katalytisch wichtigen CDP-Alkohol- Phosphotransferase-Motiv codiert, das sich ausschließlich im Golgi-Apparat befindet. Der Parasit importiert Myoinosit aus dem Milieu und verwendet es zusammen mit de novo synthetisiertem CDP- Diacylglycerin, um PtdIns zu produzieren. Eine durch Auxin induzierbare bedingte Unterdrückung von TgPIS schaltet den Lysezyklus des Parasiten aufgrund von Defekten in der Replikation, Motilität und Austritt in Säugetierzellen aus. Das Lipidom-Profiling der PIS-Mutante zeigt eine selektive Reduktion bestimmter PtdIns- und PtdThr-Spezies, wohingegen ausgewählte PtdGro-, PtdSer- und BMP-Spezies erhöht sind, was auf eine enge Interregulation und Homöostase von anionischen Phospholipiden zur Aufrechterhaltung der Membranintegrität hindeutet. Zusätzlich identifizierten wir eine Ethanolamin-Cytidyltransferase (TgECT), das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des Kennedy-Signalwegs, das im Cytosol lokalisiert ist. Das Enzym ist eindeutig für den Lysezyklus essentiell, da seine genetische Ablation nicht durchführbar ist und der durch Auxin meditierte bedingte Abbau des Proteins das Parasitenwachstum in Plaqueassays stark beeinträchtigt. Die Lipidomanalyse der Mutante identifizierte eine wichtige Rolle bei der Biogenese ausgewählter Arten von PtdEtn, PtdSer und PtdThr. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass TgECT für die Erzeugung von Ethanolamin-Phosphor-Ceramid (EPC) erforderlich ist, einem seltenen Sphingolipid, das nur eine begrenzte Anzahl von Organismen enthalten.

Toxoplasma gondii is an obligate intracellular parasite that causes Toxoplasmosis in human and livestock. Phospholipid biosynthesis is crucial for the successful intracellular survival and replication of the parasites, as the phospholipids have important roles in the biogenesis of membrane organelles, signal transduction and other cellular processes. Here, we dissected the physiological importance of two pathways accounting for the synthesis of PtdEtn and PtdIns. We demonstrated the presence of a novel PtdIns synthase (PIS) in T.gondii termed TgPIS, expressing a functional enzyme with a catalytically vital CDP-alcohol phosphotransferase motif, which resides exclusively in the Golgi body. The parasite imports myo-inositol from milieu, and co-utilizes de novo-synthesized CDP-diacylglycerol to produce PtdIns. An auxin-inducible conditional repression of TgPIS abrogated the lytic cycle of the parasite in mammalian cells due to defects in the replication, motility and egress. Lipidomic profiling of the PIS mutant demonstrated selective reduction of certain PtdIns and PtdThr species, whereas selected PtdGro, PtdSer and BMP species were increased, which suggested a tight inter-regulation and homeostasis of anionic phospholipids to maintain the membrane integrity. In addition, we identified an ethanolamine cytidyltransferase (TgECT), the rate-limiting enzyme of Kennedy pathway, which is localized in the cytosol. The enzyme is clearly essential for the lytic cycle as its genetic ablation was not feasible, and auxin-meditated conditional knockdown severely impaired the parasite growth in plaque assays. Similarly, lipidomic analysis of the mutant identified an important role in the biogenesis of selected species of PtdEtn, PtdSer and PtdThr. Moreover, we discovered that TgECT is required for the generation of ethanolamine-phosphory ceramide (EPC), a rare sphingolipid present only a limited number of organisms.