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Procyclic trypanosomes recycle glucose catabolites and TCA cycle intermediates to stimulate growth in the presence of physiological amounts of proline

Authors :
Villafraz, Oriana
Biran, Marc
Pineda, Erika
Plazolles, Nicolas
Cahoreau, Edern
Ornitz Oliveira Souza, Rodolpho
Thonnus, Magali
Allmann, Stefan
Tetaud, Emmanuel
Rivière, Loïc
Silber, Ariel M.
Barrett, Michael P.
Zíková, Alena
Boshart, Michael
Portais, Jean-Charles
Bringaud, Frédéric
Microbiologie Fondamentale et Pathogénicité (MFP)
Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre de résonance magnétique des systèmes biologiques (CRMSB)
Université de Bordeaux (UB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Toulouse Biotechnology Institute (TBI)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
MetaToul FluxoMet (TBI-MetaToul)
MetaboHUB-MetaToul
MetaboHUB-Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT)
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-MetaboHUB-Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL)
Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Toulouse Biotechnology Institute (TBI)
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Universidade de São Paulo = University of São Paulo (USP)
Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
University of Glasgow
Institute of Parasitology [České Budějovice] (BIOLOGY CENTRE CAS)
Biology Centre of the Czech Academy of Sciences (BIOLOGY CENTRE CAS)
Czech Academy of Sciences [Prague] (CAS)-Czech Academy of Sciences [Prague] (CAS)
Geroscience and rejuvenation research center (RESTORE)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-EFS-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Bordeaux
CNRS
ANR-11-INBS-0010,METABOHUB,Développement d'une infrastructure française distribuée pour la métabolomique dédiée à l'innovation(2011)
ANR-15-CE15-0025,GLYCONOV,Voies métaboliques glycosomales non glycolytiques: nouvelles fonctions pour le développement et la virulence des trypanosomes(2015)
ANR-19-CE15-0004,AdipoTryp,Interactions métaboliques entre les adipocytes et les trypanosomes, un nouveau paradigme pour les trypanosomoses(2019)
ANR-11-LABX-0024,ParaFrap,Alliance française contre les maladies parasitaires(2011)
Université de Bordeaux (UB)
Microbiologie cellulaire et moléculaire et pathogénicité (MCMP)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Bordeaux (UB)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Universidade de São Paulo (USP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-EFS-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
ANR-15-CE15-002501
ANR19-CE15-0004-01
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Toulouse Biotechnology Institute (TBI)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
VIAUD, Karine
Développement d'une infrastructure française distribuée pour la métabolomique dédiée à l'innovation - - METABOHUB2011 - ANR-11-INBS-0010 - INBS - VALID
Voies métaboliques glycosomales non glycolytiques: nouvelles fonctions pour le développement et la virulence des trypanosomes - - GLYCONOV2015 - ANR-15-CE15-0025 - AAPG2015 - VALID
Interactions métaboliques entre les adipocytes et les trypanosomes, un nouveau paradigme pour les trypanosomoses - - AdipoTryp2019 - ANR-19-CE15-0004 - AAPG2019 - VALID
Laboratoires d'excellence - Alliance française contre les maladies parasitaires - - ParaFrap2011 - ANR-11-LABX-0024 - LABX - VALID
Source :
PLoS Pathogens, PLoS Pathogens, 2021, 17 (3), pp.e1009204. ⟨10.1371/journal.ppat.1009204⟩, PLoS Pathogens, Public Library of Science, 2021, 17 (3), pp.e1009204. ⟨10.1371/journal.ppat.1009204⟩, PLoS Pathogens, Vol 17, Iss 3, p e1009204 (2021)
Publication Year :
2021
Publisher :
HAL CCSD, 2021.

Abstract

Trypanosoma brucei, a protist responsible for human African trypanosomiasis (sleeping sickness), is transmitted by the tsetse fly where the procyclic forms of the parasite develop in the proline-rich (1–2 mM) and glucose-depleted digestive tract. Proline is essential for the midgut colonization of the parasite in the insect vector, however other carbon sources could be available and used to feed its central metabolism. Here we show that procyclic trypanosomes can consume and metabolize metabolic intermediates, including those excreted from glucose catabolism (succinate, alanine and pyruvate), with the exception of acetate, which is the ultimate end-product excreted by the parasite. Among the tested metabolites, tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates (succinate, malate and α-ketoglutarate) stimulated growth of the parasite in the presence of 2 mM proline. The pathways used for their metabolism were mapped by proton-NMR metabolic profiling and phenotypic analyses of thirteen RNAi and/or null mutants affecting central carbon metabolism. We showed that (i) malate is converted to succinate by both the reducing and oxidative branches of the TCA cycle, which demonstrates that procyclic trypanosomes can use the full TCA cycle, (ii) the enormous rate of α-ketoglutarate consumption (15-times higher than glucose) is possible thanks to the balanced production and consumption of NADH at the substrate level and (iii) α-ketoglutarate is toxic for trypanosomes if not appropriately metabolized as observed for an α-ketoglutarate dehydrogenase null mutant. In addition, epimastigotes produced from procyclics upon overexpression of RBP6 showed a growth defect in the presence of 2 mM proline, which is rescued by α-ketoglutarate, suggesting that physiological amounts of proline are not sufficient per se for the development of trypanosomes in the fly. In conclusion, these data show that trypanosomes can metabolize multiple metabolites, in addition to proline, which allows them to confront challenging environments in the fly.<br />Author summary In the midgut of its insect vector, trypanosomes rely on proline to feed their energy metabolism. However, the availability of other potential carbon sources that can be used by the parasite is currently unknown. Here we show that tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates, i.e. succinate, malate and α-ketoglutarate, stimulate growth of procyclic trypanosomes incubated in a medium containing 2 mM proline, which is in the range of the amounts measured in the midgut of the fly. Some of these additional carbon sources are needed for the development of epimastigotes, which differentiate from procyclics in the midgut of the fly, since their growth defect observed in the presence of 2 mM proline is rescued by addition of α-ketoglutarate. In addition, we have implemented new approaches to study a poorly explored branch of the TCA cycle converting malate to α-ketoglutarate, which was previously described as non-functional in the parasite, regardless of the glucose levels available. The discovery of this branch reveals that a full TCA cycle can operate in procyclic trypanosomes. Our data broaden the metabolic potential of trypanosomes and pave the way for a better understanding of the parasite’s metabolism in various organ systems of the tsetse fly, where it develops.

Details

Language :
English
ISSN :
15537366 and 15537374
Database :
OpenAIRE
Journal :
PLoS Pathogens, PLoS Pathogens, 2021, 17 (3), pp.e1009204. ⟨10.1371/journal.ppat.1009204⟩, PLoS Pathogens, Public Library of Science, 2021, 17 (3), pp.e1009204. ⟨10.1371/journal.ppat.1009204⟩, PLoS Pathogens, Vol 17, Iss 3, p e1009204 (2021)
Accession number :
edsair.pmid.dedup....dcae26a5214706fa57a29a61356e7763
Full Text :
https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009204⟩