Functional study of acetyl-CoA metabolism in Trypanosoma brucei

Trypanosoma brucei, parasite protozoaire flagellé appartenant à l’ordre des kinétoplastidés, est responsable de la maladie du sommeil, ou trypanosomiase humaine africaine (THA). Son cycle de vie fait intervenir un insecte vecteur hématophage (la mouche tsé-tsé ou glossine) qui lors d’un repas sanguin sur un individu infecté ingère des parasites. Après plusieurs étapes de différentiation, les parasites sont injectés à un hôte lors d’un autre repas sanguin. Nous avons étudié le métabolisme intermédiaire et énergétique de la forme procyclique de T. brucei, forme présente dans l’appareil digestif de l’insecte vecteur. Chez ce parasite, la dégradation du glucose aboutit à la production d’acétate dans l’unique mitochondrie, et de succinate dans la mitochondrie et les glycosomes, organelles spécifiques des trypanosomatidés dans lesquels la glycolyse est compartimentalisée. T. brucei utilise une "navette acétate" permettant de transférer l’acétyl-CoA produit dans la mitochondrie vers le cytosol pour initier la biosynthèse de novo des acides gras et la production d’acétate est essentielle à la croissance du parasite. La navette acétate fait intervenir dans la mitochondrie l’acétate:succinate CoA-transférase (ASCT), qui converti l'acétyl-CoA produit à partir du glucose en acétate. Nous avons identifié et caractérisé une autre enzyme mitochondriale contribuant aussi à la production d’acétate à partir du glucose : l’acétyl-CoA thioesterase (ACH). Le double mutant n’exprimant ni l’ACH ni l’ASCT ne produit plus d’acétate et n’est plus viable, confirmant le rôle essentiel de la production d’acétate. Par ailleurs, nous avons montré que l’ASCT, grâce au cycle formé avec la succinyl-CoA synthétase (SCoAS), contribue à la production d’ATP par phosphorylation au niveau du substrat dans la mitochondrie, mais l’ACH n’est pas impliqué dans la production d’ATP. La thréonine est l’acide aminé le plus rapidement consommé par le parasite et sa dégradation aboutit à la production d’acétate et de glycine. En utilisant des outils de génétique inverse et des analyses métaboliques par RMN du proton et HPTLC, nous avons caractérisé la première étape enzymatique de cette voie, catalysée par la thréonine déshydrogénase (TDH), et nous avons montré que la thréonine est la principale source de carbone pour la production d’acétate, pour la biosynthèse de novo des acides gras et des stérols. L’acétyl-CoA est produit dans la mitochondrie à partir du pyruvate provenant de la dégradation du glucose par le complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) et à partir de la thréonine dont la dégradation est initiée par la TDH. L’acétyl-CoA provenant de la dégradation du glucose ou de la thréonine est converti en acétate par les mêmes enzymes, l’ACH et l’ASCT. Nous avons montré que la voie de dégradation de la thréonine est sous régulation métabolique. L’activité et l’expression de la TDH ainsi que la production d’acétate à partir de la thréonine sont diminuées dans le mutant knock out de la phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) dans lequel le flux glycolytique est redirigé vers la production d’acétate. De plus, contrairement au glucose, la dégradation de la thréonine ne participe pas à la production d’ATP dans la mitochondrie du parasite. Nos résultats nous amène à l’hypothèse d’un channeling mitochondrial des voies de dégradation du pyruvate et de la thréonine pour la production d’acétate. Les trypanosomes ont développé une voie de biosynthèse de novo des acides gras faisant appel aux élongases du réticulum endoplasmique et un précurseur inhabituel, le butyryl-CoA dont la voie de biosynthèse n’est à l’heure actuelle pas connue chez les trypanosomatidés. Nous avons reconstitué une voie de biosynthèse hypothétique à partir de l’acétyl-CoA dans la mitochondrie. La dernière enzyme de cette voie, l’isovaléryl-CoA déshydrogénase (IVDH), a été caractérisée, et nos premiers résultats indiquent que cette enzyme est impliquée dans la production du butyryl-CoA.Trypanosoma brucei, a flagellated protozoan parasite of the kinetoplastidae order, is responsible for human sleeping sickness or human african trypanosomiasis (HAT). Its life cycle is complex and involves a haematophageous insect vector (tse-tse fly or Glossina), which ingests parasites during a blood meal on an infected host. After a series of differentiations, the parasites are injected to another host during another blood meal. We studied the energy and intermediary metabolism of the procyclic form of T. brucei, which is present into the midgut of the tse-tse fly. In this parasite, glucose degradation produces acetate into the mitochondria of the parasite and succinate into both the mitochondria and the glycosomes. Glycosomes are specific organites of trypanosomatids in which the glycolysis is compartimentalized. T. brucei uses an "acetate shuttle" to transfer acetyl-CoA from the mitochondrion to the cytosol to feed de novo fatty acids biosynthesis. This acetate production is essential for cell viability. The "acetate shuttle" involves inside the mitochondrion, the acetate:succinate CoA-transferase (ASCT), which converts glucose-derived acetyl-CoA into acetate. We identified and characterised a new mitochondrial enzyme involved in acetate production from glucose, in addition to ASCT: the acetyl-CoA thioesterase (ACH). Indeed, a double mutant affecting expression of both ACH and ASCT doesn’t produce anymore acetate and is lethal, which confirms the essential role of mitochondrial production of acetate. In addition, we showed that ASCT, via the ASCT/SCoAS (succinyl-CoA synthetase) cycle, contributes to mitochondrial ATP production by substrate phosphorylation, while ACH is not involved in ATP production. We also observed that contribution of the ASCT/SCoAS cycle and oxidative phosphorylation by the mitochondrial F0-F1-ATP synthase to ATP production are similar. Threonine is the most rapidly consumed amino acid by the procyclic trypanosomes and its degradation produces acetate and glycine. Using a combination of reverse genetics, proton NMR metabolic profiling and HPTLC, we characterized the first enzymatic step of the pathway, catalysed by the threonine dehydrogenase (TDH) and showed that threonine is the main carbon source for acetate production, de novo fatty acids and sterol biosynthesis. Acetyl-CoA is produced into the mitochondrion from glucose-derived pyruvate by the pyruvate dehydrogenase complex (PDH) and by the two first steps of the threonine degradation pathway, including TDH. Both glucose-derived and threonine-derived acetyl-CoA is then converted into acetate by the same enzymes, ACH and ASCT. We also found that the threonine degradation pathway is under metabolic control. Indeed, TDH activity, TDH expression and threonine-derived acetate production are reduced in the phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) knock out mutant, in which glycolytic flux is redirected towards acetate production. In addition, we showed that, as opposed to glucose-derived acetyl-CoA, metabolism of threonine-derived acetyl-CoA doesn’t contribute to ATP production into the mitochondrion of the parasite. Our results suggest the existence of mitochondrial metabolic channelings, which disconnect pyruvate and threonine degradation pathways leading to acetate production. Trypanosomes developed a specific de novo fatty acids biosynthesis pathway using elongases located in the endoplasmic reticulum and an unusual primer, butyryl-CoA. The biosynthesic pathway of butyryl-CoA has not been investigated so far in trypanosomatids. Genomic data mining of the T. brucei database, highlights an hypothetical mitochondrial biosynthesis pathway from acetyl-CoA to butyryl-CoA. The last enzyme of this pathway, isovaleryl-CoA dehydrogenase (IVDH), was characterised and our first results suggest that this enzyme is indeed involved into butyryl-CoA production