Protein trafficking and host cell remodling in malaria parasite infection

Plasmodium endurance depends on the ability of the parasite to reorganize the cytosol of the erythrocyte, a terminally differentiated cell, and remodels its skeleton membrane immediately after invasion. In this way the parasite can organize the import/export of the molecules necessary to its survival. The comprehension of cellular trafficking mechanisms which occur during Plasmodium infection is a very important step and fundamental contribute to understand the biology of the malaria parasite. We identified in the rodent malaria parasite Plasmodium berghei the gene family sep, corresponding to etramp in P. falciparum, encoding small exported proteins conserved in the genus Plasmodium. SEP proteins (13–16 kDa) contain a predicted signal peptide at the NH2-terminus, an internal hydrophobic region while they differ in their C-terminal region; the genes share the upstream regulative region while they differ in the 3’UTR. Despite this, we showed that SEPs have a different timing of expression and a different localization: in the erythrocytic cycle PbSEP1 and PbSEP3 start to be expressed at trophozoite and the same amount of protein is detected also in schizonts and gametocytes, while PbSEP2 is highly detected in mature trophozoites and even more in gametocytes. In mosquitoes stages PbSEP1 and PbSEP3 are expressed only in ookinetes, while PbSEP2 is very abundant in ookinetes, oocysts and in sporozoites of the salivary glands. SEPs also have a different localization in the iRBC: PbSEP1 is targeted to the membrane of the parasitophorous vacuole, while PbSEP2 and 3 are exported beyond the parasite membrane and translocated to the host cell compartment in association with vesicle-like structures. In this study we identified the specific signals necessary for the correct timing of expression and to direct SEP proteins to the vacuolar membrane and to the host cell compartments. The second part of the work was carried out in Montpellier II University and aims to identify the localization of two RBC membrane skeleton components, dematin and adducin, during Plasmodium falciparum infection. Our purpose is to recognize a possible mechanism of internalization of host cytoskeleton components to the parasite compartments. In fact, IFA experiments carried on iRBCs showed that dematin and adducin start to be internalized at trophozoite stage and localize at the periphery of the parasite, most probably at the parasitophoruos vacuole (PV) membrane/lumen. Dematin and adducin internalization during Plasmodium infection is also demonstrated by subcellular fractionation and proteinase K (PK) assay: while dematin is fully internalized, adducin is partially protected and suggesting a localization of the protein at the periphery of the parasite where it can be exposed to PK degradation.

Il Plasmodio della malaria si riproduce nell’eritrocita, una cellula che ha perso capacità di sintesi poiché è altamente specializzata nel trasporto di ossigeno. La sopravvivenza del parassita è strettamente collegata alla riorganizzazione del citoplasma e della superficie del globulo rosso tramite la generazione di strutture membranose composte sia da molecole esportate dal parassita, che da altre importate dalla cellula ospite. Plasmodio garantisce così i nutrienti necessari al suo sviluppo e la possibilità di esportare fattori di virulenza alla superficie della cellula ospite. Tre membri della famiglia genica sep di P. berghei denominate SEP (Small Exported Proteins- 13-16 KDa), che presentano similarità con le proteine ETRAMP di P. falciparum, mostrano caratteristiche peculiari: condividono quasi totalmente la sequenza codificante, contenente un peptide segnale e una regione transmembrana, mentre differiscono nella porzione C-terminale. Anche la regione del promotore è pressoché identica, mentre variano gli specifici 3’UTR. Con la generazione di anticorpi specifici della regione al C-terminale, è stato possibile definire che si tratta di proteine integrali di membrana, la cui localizzazione e stadio specificità sono sorprendentemente diverse: in particolare la SEP2 e la SEP3 vengono esportate nella cellula ospite, mentre la SEP1 risiede alla membrana del vacuolo parassitoforo, struttura di interfaccia tra il parassita ed l’eritrocita. Inoltre è stato osservato che la SEP1 e 3 sono espresse in livelli confrontabili negli stadi intraeritrocitari, mentre la SEP2 è abbondantemente espressa nei gametociti, dato significativo in quanto questi sono le uniche forme ingerite dalla zanzara anofelina durante il pasto di sangue che daranno origine a parassiti in grado di svilupparsi nell’insetto vettore. Anche nell’insetto le 3 SEP hanno un profilo di espressione differente: SEP1 e 3 sono presenti negli ookineti, mentre la SEP2 è abbondantemente espressa in ookineti, oocisti e sporozoiti. L’identificazione dei motivi proteici necessari alla localizzazione delle proteine SEP2 e SEP3 nei vari distretti dell’eritrocita infetto si è basata sulla generazione di linee transgeniche di P. berghei in grado di esprimere porzioni diverse delle proteine SEP fuse alla proteina reporter GFP: la contemporanea presenza del peptide segnale della regione transmembrana è necessaria per traslocare le proteine di fusione SEP/GFP nell’eritrocita. La seconda parte del lavoro è stata svolta presso l’Università di Montpellier 2, e si propone di caratterizzare la localizzazione di due proteine del complesso giunzionale del citoscheletro dell’eritrocita umano, la dematina e l’adducina, in quanto recenti esperimenti svolti con il parassita murino hanno suggerito la possibilità di un meccanismo di internalizzazione di entrambe. Avvalendosi dell’impiego di anticorpi specifici e dell’utilizzo del microscopio confocale e apotome, è stato osservato che entrambe sono associate a comparti del parassita. Il processo di internalizzazione di queste due proteine è stato inoltre dimostrato attraverso esperimenti di frazionamento subcellulare e successiva digestione con proteinasi K: La dematina è interamente protetta e quindi completamente internalizzata dal parassita mentre l’adducina è in parte digerita dalla proteinasi K e quindi parzialmente esposta nel citoplasma dell’eritrocita.