Tout comme les humains, les plantes et les bactéries, le parasite unicellulaire Toxoplasma gondii (T. gondii) utilise le calcium comme messager pour coordonner d'importants processus cellulaires. Mais si le messager est le même, les voies de communication qui se forment autour du calcium diffèrent considérablement d'un organisme à l'autre.

"Puisque les parasites Toxoplasma sont si différents de nous, ils ont développé leurs propres ensembles de protéines impliquées dans les voies de signalisation du calcium", a déclaré Alice Herneisen, étudiante diplômée au laboratoire de Sebastian Lourido, membre du Whitehead Institute.

Lourido et son laboratoire étudient les mécanismes moléculaires qui permettent au parasite unicellulaire T. gondii et aux agents pathogènes apparentés d'être si répandus et potentiellement mortels - et la signalisation calcique est une partie importante du processus d'invasion de ses hôtes par le parasite. "Le calcium régit cette transition très importante des parasites se reproduisant à l'intérieur des cellules hôtes aux parasites quittant ces cellules et en recherchant de nouvelles à infecter", a déclaré Lourido. "Nous nous sommes vraiment intéressés à la façon dont le calcium joue dans la régulation des protéines à l'intérieur du parasite."

Un article publié le 17 août dans eLife donne un aperçu. Dans l'article, Herneisen, Lourido et leurs collaborateurs ont utilisé une approche appelée profilage thermique pour déterminer de manière générale quelles protéines parasites sont impliquées dans la signalisation du calcium chez T. gondii. Les nouveaux travaux révèlent qu'une protéine inattendue joue un rôle dans les voies du calcium du parasite et fournit de nouvelles cibles que les scientifiques pourraient potentiellement utiliser pour arrêter la propagation du parasite. Les données serviront également de ressource que d'autres chercheurs de Toxoplasma pourront utiliser pour savoir si leurs propres protéines d'intérêt interagissent avec les voies du calcium dans les cellules parasitaires.

Le chauffage est allumé

Lorsqu'ils étudient les voies du calcium chez l'homme, les chercheurs peuvent souvent établir des parallèles avec le travail chez la souris. "Mais les parasites sont très différents de nous", a déclaré Lourido. "Tous les principes que nous avons appris sur la signalisation du calcium chez l'homme ou la souris ne peuvent pas être facilement traduits en parasites."

Alors pour étudier ces mécanismes chez Toxoplasma, les chercheurs ont dû repartir de zéro pour déterminer quelles protéines étaient impliquées. C'est là que la méthode de profilage thermique est entrée en jeu. La méthode est basée sur l'observation que les protéines sont conçues pour bien fonctionner à des températures spécifiques, et quand il fait trop chaud pour elles, elles fondent. Pensez aux œufs :lorsque les protéines des blancs et des jaunes d'œufs sont chauffées dans une poêle à frire, les protéines commencent à fondre et à se figer. "Lorsque nous pensons à la fusion d'une protéine, nous voulons dire que les protéines se démêlent", a déclaré Lourido. "Lorsque les protéines se démêlent, elles exposent des chaînes latérales qui se lient les unes aux autres. Elles cessent d'être des protéines individuelles bien repliées et deviennent un maillage."

De petits changements dans la structure chimique d'une protéine, tels que les changements résultant de la liaison d'une petite molécule comme le calcium, peuvent modifier le point de fusion d'une protéine. Les chercheurs peuvent ensuite retracer ces altérations à l'aide de méthodes protéomiques. "Les protéines qui lient le calcium changent en réponse au calcium et modifient finalement leur stabilité thermique", a déclaré Herneisen. "C'est un peu le langage des protéines, des altérations de leur stabilité thermique."

La méthode de profilage thermique fonctionne en appliquant de la chaleur aux cellules du parasite et en représentant graphiquement comment chacune des protéines du parasite réagit aux changements de température dans différentes conditions (par exemple, la présence ou l'absence de calcium). Dans un article de 2020, les chercheurs ont utilisé la méthode de profilage thermique pour étudier le rôle d'une protéine appelée ENH1 dans la signalisation du calcium.

Dans leur nouvel article, Lourido et Herneisen ont étudié l'effet du calcium sur toutes les protéines du parasite en utilisant deux approches. Les chercheurs ont combiné des parasites avec des quantités spécifiques de calcium, appliqué de la chaleur, puis effectué des techniques de protéomique pour suivre la façon dont le calcium affectait le comportement de fusion de chaque protéine. Si le point de fusion d'une protéine était supérieur ou inférieur à la normale, les chercheurs pourraient en déduire que cette protéine a été modifiée soit par le calcium lui-même, soit par un autre acteur d'une voie de signalisation du calcium.

Ils ont ensuite traité les parasites avec un produit chimique qui les a amenés à libérer le calcium stocké de manière contrôlée et a mesuré comment une modification protéique appelée phosphorylation changeait au fil du temps. Ensemble, ces méthodes leur ont permis de déduire comment les protéines pourraient détecter et répondre au calcium dans le réseau de signalisation.

Leur approche a fourni des données sur presque toutes les protéines exprimées dans les cellules du parasite, mais les chercheurs se sont concentrés sur une protéine particulière appelée protéine phosphatase 1 (ou PP1). La protéine est omniprésente dans de nombreuses espèces, mais n'a jamais été impliquée dans les voies de signalisation du calcium. Ils ont découvert que la protéine était concentrée à l'avant du parasite. Cette région de la cellule parasitaire est impliquée dans la motilité et l'invasion de l'hôte.

Le rôle de la protéine dans les parasites - et dans les autres organismes dans lesquels elle apparaît - est d'éliminer les petites molécules appelées phosphates des protéines phosphorylées. "Il s'agit d'une modification qui peut souvent modifier l'activité de protéines individuelles, car c'est cette grosse charge qui a été collée de manière covalente à la surface de la protéine", a déclaré Lourido. "Cela finit par être un principe par lequel de très nombreux processus biologiques différents sont régulés."

Comment exactement PP1 interagit avec le calcium reste à voir. Lorsque les chercheurs ont épuisé la PP1 dans les cellules du parasite, ils ont découvert que la protéine était en quelque sorte impliquée pour aider le parasite à absorber le calcium nécessaire au mouvement. Il n'est pas clair s'il se lie ou non au calcium ou s'il est impliqué dans la voie par un autre mécanisme.

Étant donné que les parasites utilisent la signalisation calcique pour coordonner les changements du cycle de vie tels que l'entrée ou la sortie des cellules hôtes, un aperçu des principaux acteurs des voies calciques pourrait être une aubaine pour la santé publique. "Ce sont en quelque sorte les points de pression ou les hubs qu'il serait idéal de cibler afin d'empêcher la propagation et la pathogenèse de ces parasites", a déclaré Herneisen.

Herneisen et ses collaborateurs se sont concentrés principalement sur PP1, mais il existe de nombreuses autres protéines à étudier en utilisant les données de ce projet. "I think part of the reason why I wanted to release this paper is so that the field could take the next steps," she said. "I'm just one person—it would be great if 20 other people find that the protein that they were studying is calcium responsive, and they can chase down the exact reason for that or how it is involved in this greater calcium signaling network. This was exciting for us with regards to PP1, and I'm sure other researchers will make their own connections." + Explorer plus loin

Parasite research heats up