Plasticity of the phosphatidylcholine biogenesis in the obligate intracellular Parasite Toxoplasma gondii

Der obligat intrazelluläre Parasit Toxoplasma gondii ist der Erreger der Toxoplasmose, und dient zugleich als wichtiger Modellorganismus für weitere Human- und Tierpathogene, wie z.B. Plasmodium oder Eimeria. Die Vermehrung von T. gondii erfordert eine effiziente Biosynthese von Phospholipiden für die Herstellung neuer Membranen, was durch die de novo Synthese durch den Parasiten, und/oder den Import von Lipiden aus der umgebenden Wirtszelle gewährleistet werden kann. Während der Parasit zahlreiche Möglichkeiten für Synthese oder Import von PtdEtn und PtdSer verwendet, scheint die Biosynthese des abundantesten Membranlipids PtdCho auschließlich über den CDP-Cholin Weg zu erfolgen. Dieser erstreckt sich in T. gondii über 3 zelluläre Kompartimente, mit einer cytosolischen Cholin-Kinase (TgCK), einer im Zellkern lokalisierenden Cholin-Cytidylyltransferase (TgCCT) und einer Cholin-Phosphotransferase (TgCPT) im ER. Anders als die substrat-spezifische Ethanolamin-Kinase (TgEK), kann TgCK neben Cholin außerdem Ethanolamin phosphorylieren. TgCK zeigt eine geringe Affinität zu Cholin (Km ~0.77 mM), während eine verkürzte TgCK (TgCKS), welcher eine als Signalpeptid vorhergesagte N-terminale Sequenz (20 Aminosäuren) fehlt, eine etwa 3-fach höhere Aktivität aufweist (Km ~0.26 mM). Während jedoch die Wildtyp-TgCK cytosolische Cluster in Toxoplasma bildet, zeigt die verkürzte TgCK eine gleichmäßigere cytosolische Lokalisierung. Wir schlussfolgern daraus, dass der hydrophobe N-Terminus nicht notwendig ist für eine funktionale TgCK, sondern eine strukturelle Funktion bei der Protein-Lokalisierung hat. Eine konitionelle Mutante, in welcher der TgCK Promoter gegen den Tetracyclin-regulierbaren Promoter pTetO7Sag4 ausgetauscht wurde (Deltatgcki), zeigt erstaunlicherweise normales Wachstum und PtdCho Biosynthese. Die TgCK Aktivität und die daraus resultierende PtdCho Synthese sind nur zu ~30% regulierbar. Unsere Ergebnisse deuten auf die Verwendung eines alternativen Startcodons bzw. Promoters hin, welcher zur Expression einer verkürzten (~53-kDa) aber vermutlich aktiven Cholin Kinase führt, wodurch der Verlust der TgCK (~70-kDa) kompensiert wird. Der konditionelle Knockout von TgCCT, dem regulatorischen Enzym des CDP-Cholin Wegs, hatte einen 50%igen Wachstumsdefekt zur Folge. Diese Studie zeigt eine erstaunliche Flexibilität des Parasiten bezüglich seiner Membranzusammensetzung, und bestätigt zugleich die Annahme, dass PtdCho nicht von der Wirtszelle importiert werden kann. Diese Anpassungsfähigkeit stellt einen möglichen Faktor dar, der es T. gondii erlaubt sich in einem breiten Spektrum von Wirten zu vermehren.Toxoplasma gondii is an obligate intracellular apicomplexan parasite that causes life-threatening disease in neonates and in immunocompromised people. Successful replication of Toxoplasma requires substantial membrane biogenesis, which must be satisfied irrespective of the host-cell milieu. Like in other eukaryotes, the two most abundant phospholipids in the T. gondii membrane are phosphatidylcholine (PtdCho) and phosphatidylethanolamine (PtdEtn). Bioinformatics and precursor labeling analyses confirm their synthesis via the CDP-choline and CDP-ethanolamine pathway, respectively. This work shows that the 3-step CDP-choline pathway, involving the activities of TgCK, TgCCT and TgCPT, localizes to the cytosol, nucleus and ER membrane, respectively. The initial reaction is catalyzed by a dual-specificity choline kinase (TgCK, ~70-kDa), capable of phosphorylating choline as well as ethanolamine. The purified full-length TgCK displayed a low affinity for choline (Km ~0.77 mM). TgCK harbors a unique N-terminal hydrophobic peptide that is required for the formation of enzyme oligomers in the parasite cytosol but not for activity. The displacement of the TgCK promoter in a conditional mutant of T. gondii (deltatgcki) attenuated the enzyme expression by ~80%. Unexpectedly, the ?tgcki mutant was not impaired in intracellular growth, and exhibited a normal PtdCho biogenesis. To recompense for the loss of full-length TgCK, the mutant appears to make use of an alternative promoter and/or start codon, resulting in the expression of a shorter but active TgCK isoform identified by the anti-TgCK antiserum, which correlated with its persistent choline kinase activity. Accordingly, the ?tgcki showed an expected incorporation of choline into PtdCho, and susceptibility to dimethylethanolamine (a choline analog). Interestingly, the conditional mutant displayed a regular growth in off state despite a 25% decline in PtdCho content, which suggests a compositional flexibility in T. gondii membranes and insignificant salvage of host-derived PtdCho. The two-step conditional mutagenesis of TgCCT, which caused a reduced growth rate to about 50%, further substantiated this finding. The enzymatic activity of TgCCT and its role in PtdCho synthesis remain to be proven, however. Taken together, the results demonstrate that the CDP-route is likely essential in T. gondii. The competitive inhibition of choline kinase to block the parasite replication appears a potential therapeutic application.The work also reveals a remarkably adaptable membrane biogenesis in T. gondii, which may underly the evolution of Toxoplasma as a promiscuous pathogen