Mutational analysis of the P. falciparum ARO protein, functional analysis of its predicted binding partner AIP and identification of AIP interacting proteins

Abstract

Despite tremendous efforts, malaria is still one of the most devastating diseases affecting millions of humans worldwide. The most severe form of the disease is caused by Plasmodium falciparum. One stage of this protozoan parasite, termed merozoite, infects red blood cells, where the parasite multiplies exponentially. This multiplication step is responsible for all clinical symptoms.

The infection of an erythrocyte is coordinated by the complex invasion machinery of the parasite. Specialized secretory organelles (micronemes, rhoptries and dense granules) discharge their protein content to establish an orchestrated cascade of molecular interactions to mediate host cell entry. The dual club-shaped rhoptries are located at the apical pole (apex) of the parasite. The underlying molecular processes governing rhoptry biogenesis at the apex and its activity during secretion are not well understood.

An Apicomplexa-specific protein named ARO (Armadillo repeats only) has been identified in P. falciparum and in its close relative Toxoplasma gondii. It has been shown that ARO, which localizes to the cytosolic side of the rhoptries via lipid anchor modification, is essential to orient the nascent rhoptries at the apex. No crystal structure was available that would allow for a more detailed functional analysis. Research on T. gondii has shown that ARO interacts with ARO interacting protein (AIP), adenylate cyclase β (ACβ) and myosin F (MyoF), but no information was available on any ARO interacting proteins in the malaria parasite.

In this work, an AIP homologue was identified in P. falciparum using a BLAST homology search. Subsequent co-localization studies, using fluorescence microscopy, localized fluorescent reporter-tagged versions of AIP to the rhoptry neck. Quantitative analysis of co-localization data demonstrated only a partial overlap with ARO, which showed a pronounced rhoptry bulb localization. Flow cytometry and Giemsa smear analysis were performed to assess the phenotypic effect upon the depletion of AIP from the rhoptry neck using the conditional knock-sideways approach. The mislocalization of AIP caused a defect in the invasion of erythrocytes by merozoites. To assess AIP interaction partners, the proximity-dependent biotinylation approach followed by mass spectrometry was used. Several candidates could be identified, including ACβ, which was previously implicated in AIP interaction in T. gondii.

In a collaborative approach with the Junop laboratory (Western University, Canada), the crystal structure of PfARO was solved. This structural information was used to probe ARO-AIP interaction. Distinct amino acids were mutated at the putative protein-protein interaction face, and the consequences for ARO-AIP interaction were quantified. It could be shown that mutations within this ARO domain lead to mislocalized AIP.

Trotz erheblicher Erfolge in der Malariabekämpfung in den letzten 20 Jahren, ist sie noch immer eine der verheerendsten Infektionskrankheiten, welche Millionen Menschen weltweit betrifft. Die schwerste Form dieser Krankheit wird durch Plasmodium falciparum verursacht. Dieser Parasit kann, im sogenannten Merozoiten-Stadium, in Erythrocyten eindringen und sich in ihnen vermehren. Das damit einhergehende exponentielle Wachstum ist verantwortlich für alle klinischen Symptome der Malaria.

Die Wirtszellinvasion wird durch eine komplexe Invasionsmaschinerie des Parasiten koordiniert. Spezialisierte sekretorische Organellen (Mikroneme, Rhoptrien und dichte Granula) entleeren ihren Proteininhalt, um in einer kontrollierten Kaskade molekularer Interaktionen den Eintritt in den Erythrocyten zu ermöglichen. Die paarigen, kegelförmigen Rhoptrien sind am apikalen Pol des Parasiten lokalisiert. Die zugrundeliegenden molekularen Prozesse, welche die Rhoptrienbiogenese am apikalen Pol des Merozoiten und deren sekretorische Aktivität ermöglichen, sind gegenwärtig nur teilweise verstanden.

Für ein, für die phylogenetische Gruppe der Apikomplexa, zu welcher auch die Spezies P. falciparum und Toxoplasma gondii gehören, spezifisches Protein names ARO (Armadillo repeats only) konnte gezeigt werden, dass es mit Hilfe von Lipidankern mit der cytosolischen Seite der Rhoptrienmembran interagiert und dort eine essentielle Funktion für die intrazelluläre Positionierung der Rhoptrien ausübt. Weiterführende Arbeiten mit dem ARO-Homolog in T. gondii identifizierten interagierende Proteine, darunter die Adenylatcyclase β (ACβ), Myosin F (MyoF) und ein ARO interagierendes Protein, welches AIP genannt wurde. Dessen Homolog im Malariaparasiten war bislang unerforscht und eine detaillierte Information zur Tertiärstruktur von ARO war nicht vorhanden.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein AIP-Homolog mittels der BLAST-Homologie-Suche in P. falciparum identifiziert und das Gen so modifiziert, dass sowohl dessen Lokalisation als auch eine funktionelle Analyse des Genproduktes möglich war. Nachfolgende Fluoreszenzmikroskopie-Kolokalisationsstudien zeigten, dass AIP an den Rhoptrienhals lokalisiert. Die quantitative Auswertung der Kolokalisationstudien zeigte eine nur teilweise Überlappung mit ARO, welches selbst eine ausgeprägte Lokalisation am Rhoptrienbauch aufwies. Die funktionelle Analyse wurde durch die „knock-sideways“-Methode realisiert, welche eine konditionelle Mislokalisierung von AIP ermöglichte. Es konnte gezeigt werden, dass eine Depletion von AIP vom Rhoptrienhals zu einem Defekt der Invasion von Erythrozyten führt. Um potentielle Interaktionspartner von AIP zu ermitteln, wurde die Methode der entfernungsabhängigen Biotinylierung, gefolgt von Massenspektrometrie, gewählt. Dieses ermöglichte die Erstellung einer Kandidatenliste, die unter anderem auch ACβ beinhaltete.

In einer Kollaboration mit dem Junop Labor (Western University, Kanada) wurde die Kristallstruktur von ARO ermittelt. Die strukturellen Informationen erlaubten eine detailliertere Untersuchung der ARO-AIP-Interaktion. Verschiedene Aminosäuren der vermutlichen Protein-Protein Interaktionsdomäne wurden mutiert und deren Auswirkungen auf die Interaktion von ARO und AIP wurden quantifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass Mutationen innerhalb dieser ARO-Domäne zu einer Fehllokalisation von AIP führen.