Les membranes plasmiques et les membranes du trans-Golgi des cellules eucaryotes présentent une asymétrie des lipides qui les composent, avec les aminophospholipides (APLs : phosphatidylsérine et phosphatidyléthanolamine) enrichis dans le feuillet cytosolique. La dissipation de cette asymétrie est impliquée dans de nombreux processus (patho)physiologiques. Plusieurs études suggèrent que les ATPases P4 sont les candidats les plus probables pour le transport des APLs et le maintien de leur distribution asymétrique ; leur délétion dans la levure inhibe le trafic membranaire. En outre, des études ont montré que les ATPases P4 interagissaient avec les protéines de la famille CDC50 ; cette interaction est essentielle pour l’adressage et peut-être aussi la fonction des ATPases P4. Afin de contribuer à la compréhension du mécanisme de transport des lipides par les ATPases P4, l’objectif de ce travail a été de mettre au point la co-expression fonctionnelle, dans la levure, de l’ATPase P4 Drs2p et de sa protéine partenaire Cdc50p. Nous avons obtenu une fraction membranaire enrichie à 3% avec la protéine Drs2p, majoritairement en complexe avec Cdc50p. L’étude fonctionnelle du complexe nous a permis de mettre en évidence un rôle crucial du phosphatidylinositol-4-phosphate (PI(4)P), un important régulateur du trafic membranaire, au cours d’une étape particulière du cycle catalytique. Nous avons également développé un protocole de purification sur résine streptavidine du complexe Drs2p/Cdc50p. Enfin, comme un site potentiel d’interaction avec le PI(4)P est présent sur l’extrémité C-terminale de Drs2p, nous avons engendré différentes constructions de Drs2p, dans lesquelles une partie de l’extrémité C-terminale a été délétée ; dans une autre construction, l’extrémité N-terminale a également été délétée. Notre travail ouvre la voie à la caractérisation fonctionnelle et structurale détaillée du complexe Drs2p/Cdc50p, et à l’étude du rôle du transport de lipides dans le trafic membranaire. / Trans-Golgi membranes and plasma membranes of eukaryotic cells are asymmetric, with their cytosolic leaflet enriched in aminophospholipids (APLs: phosphatidylserine and phosphatidylethanolamine). Dissipation of this asymmetry is involved in many (patho)physiological processes. P4 ATPases are prime candidates for APL transport and for maintaining asymmetry across membranes. In addition, yeast deleted for P4 ATPases display membrane trafficking defects. Besides, CDC50 proteins have been shown to interact physically with P4 type ATPases, and this interaction is important for addressing the complex to the right destination, and possibly also for its function. To gain insight into the molecular mechanism of lipid transport by P4 ATPases, the goal of my thesis was to develop the co-expression, in yeast, of a functional P4 ATPase, Drs2p, together with its partner, Cdc50p. The strategy we developed allowed us to obtain a membrane fraction enriched in Drs2p (~3%), mainly in complex with Cdc50p. Functional characterization of the complex identified phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P), a major regulator of membrane trafficking, as a crucial component for rapid completion of the Drs2p/Cdc50p catalytic cycle. We also purified the complex in one step on streptavidin beads. Finally, we started investigating the potential auto-inhibitory roles of the C-terminus (as the C-terminus of Drs2p contains a PI4P binding site) and the N-terminus of Drs2p, by expressing various truncated versions of Drs2p. Our work sets the stage for detailed functional and structural characterization of the Drs2p/Cdc50p complex and its role in membrane traffic.

Le paludisme est une maladie dévastatrice causée par un parasite du genre Plasmodium. Du fait de la propagation de souches résistantes aux actuels antipaludéens, il est nécessaire de comprendre les fonctions physiologiques essentielles du parasite afin de trouver de nouvelles cibles thérapeutiques. Les transporteurs membranaires sont une classe importante de cibles chez l'homme du fait de leur rôle physiologique essentiel pour la cellule. Cependant, chez les parasite du genre Plasmodium, seulement quelques transporteurs ont été biochimiquement caractérisés. Des études récentes de délétion de gènes dans un model murin ont montrées que l’ATPase de type P4, ou flippase, ATP2 de Plasmodium est essentielle pour le parasite. Chez les Eucaryotes, l’activité de translocation des lipides des ATPases de type P4 est nécessaire pour maintenir l’asymétrie des membranes, un élément clé dans de nombreux processus essentiels comme la formation de vésicules ou l’apoptose. Les flippases forment des complexes hétéromériques avec les protéines de la famille Cdc50 qui sont également trouvées dans le génome de Plasmodium. Pour comprendre le rôle fonctionnel de ces transporteurs putatifs durant l’infection par le parasite, nous avons besoin d’étudier leur mécanisme de transport et d’identifier leur (s) substrat (s). Nous avons entrepris l’expression hétérologue chez Saccharomyces cerevisiae d’ATP2, en complexe avec les sous unités Cdc50, de trois espèces différentes de Plasmodium. Nous avons réussi à co-exprimer l’orthologue ATP2 de P. chabaudi (PcATP2) et les sous unités PcCdc50 correspondantes. Par co-immunoprécipitation et une chromatographie d’exclusion stérique détectée par fluorescence, nous sommes parvenus à identifier la sous unité s’associant à PcATP2 : PcCdc50.1. Nous avons ensuite purifié le complexe PcATP2/PcCdc50.1 en utilisant des nanobodies reconnaissant la GFP fusionnée à l’extrémité C-terminale de PcATP2 et nous avons initié la caractérisation fonctionnelle avec des tests de phosphorylation et d’activité ATPasique. / Malaria is a devastating disease caused by a parasite of the genus Plasmodium. Due to the spread of strains resistant to current antimalarial drugs, it is necessary to understand essential physiological functions of the parasite in order to find new drug targets. Membrane transport proteins are an important class of drug targets in humans, as they perform essential physiological roles of the cell. However, for Plasmodium parasites, just a few membrane transporters have been biochemically described. Recent gene-deletion studies in malaria mouse models have shown that the Plasmodium P4-ATPase, or lipid flippase, ATP2 is essential for the parasite. In eukaryotes, the phospholipid translocation activity of P4-ATPases is needed to maintain the asymmetric distribution of membranes, a key element in many essential processes like vesicle budding or apoptosis. Lipid flippases form heteromeric complexes with members of the Cdc50 protein family, also found in the genomes of Plasmodium parasites. To understand the functional role of these still putative transporters during malaria infection we need to study their transport mechanism and identify their substrate(s). We have conducted the heterologous expression in Saccharomyces cerevisiae of ATP2 in complex with the Cdc50 subunits from three different Plasmodium species. We succeeded to co-express the ATP2 ortholog of P. chabaudi (PcATP2) and the related putative PcCdc50 proteins. By co-immunoprecipitation and Fluorescence-detection Size Exclusion Chromatography, we have managed to identify the Cdc50 β-subunit that associates to PcATP2: PcCdc50.1. We then purified the complex PcATP2/PcCdc50.1 using immobilized nanobodies that recognize the GFP fused at the C-terminal end of PcATP2 and we initiated the functional characterization using ATPase and phosphorylation activity assays.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(薬科学) / 甲第20305号 / 薬科博第74号 / 新制||薬科||8(附属図書館) / 京都大学大学院薬学研究科薬科学専攻 / (主査)教授 中山 和久, 教授 竹島 浩, 教授 根岸 学 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Pharmaceutical Sciences / Kyoto University / DFAM

Les membranes plasmiques et les membranes du trans-Golgi des cellules eucaryotes présentent une asymétrie des lipides qui les composent, avec les aminophospholipides (APLs : phosphatidylsérine et phosphatidyléthanolamine) enrichis dans le feuillet cytosolique. La dissipation de cette asymétrie est impliquée dans de nombreux processus (patho)physiologiques. Plusieurs études suggèrent que les ATPases P4 sont les candidats les plus probables pour le transport des APLs et le maintien de leur distribution asymétrique ; leur délétion dans la levure inhibe le trafic membranaire. En outre, des études ont montré que les ATPases P4 interagissaient avec les protéines de la famille CDC50 ; cette interaction est essentielle pour l'adressage et peut-être aussi la fonction des ATPases P4. Afin de contribuer à la compréhension du mécanisme de transport des lipides par les ATPases P4, l'objectif de ce travail a été de mettre au point la co-expression fonctionnelle, dans la levure, de l'ATPase P4 Drs2p et de sa protéine partenaire Cdc50p. Nous avons obtenu une fraction membranaire enrichie à 3% avec la protéine Drs2p, majoritairement en complexe avec Cdc50p. L'étude fonctionnelle du complexe nous a permis de mettre en évidence un rôle crucial du phosphatidylinositol-4-phosphate (PI(4)P), un important régulateur du trafic membranaire, au cours d'une étape particulière du cycle catalytique. Nous avons également développé un protocole de purification sur résine streptavidine du complexe Drs2p/Cdc50p. Enfin, comme un site potentiel d'interaction avec le PI(4)P est présent sur l'extrémité C-terminale de Drs2p, nous avons engendré différentes constructions de Drs2p, dans lesquelles une partie de l'extrémité C-terminale a été délétée ; dans une autre construction, l'extrémité N-terminale a également été délétée. Notre travail ouvre la voie à la caractérisation fonctionnelle et structurale détaillée du complexe Drs2p/Cdc50p, et à l'étude du rôle du transport de lipides dans le trafic membranaire.