Die durch Phosphatidylserin Decarboxylase (PSD) katalysierte Decarboxylierung von Phosphatidylserin (PS) zu Phosphatidylethanolamin (PE) ist für Mitochondrien in Hefe und Mäusen von essentieller Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde erstmals die Rolle dieses PE-Syntheseweges in Pflanzen untersucht. Die drei in Arabidopsis identifizierten PSD Gene atPSD1, atPSD2, atPSD3 codieren für Enzyme, die in Membranen der Mitochondrien (atPSD1), der Tonoplasten (atPSD2) und des Endoplasmatischen Retikulums (atPSD3) lokalisiert sind. Der Beitrag der einzelnen PSDs zur PE-Synthese wurde anhand von psd Null-Mutanten untersucht. Dabei stellte sich atPSD3 als das Enzym mit der höchsten Aktivität heraus. Alternativ zum PSD-Weg wird in Arabidopsis PE auch mittels Aminoalkohol-phosphotransferase synthetisiert. Der Verlust der gesamten PSD-Aktivität, wie es in der erzeugten psd Dreifachmutante der Fall ist, wirkt sich ausschließlich auf die Lipidzusammensetzung in der Mitochondrienmembran aus. Demzufolge wird extramitochondriales PE hauptsächlich über die Aminoalkoholphosphotransferase synthetisiert. Die veränderte Lipidzusammensetzung der Mitochondrienmembran hatte jedoch keinen Einfluss auf die Anzahl, Größe und Ultrastruktur der Mitochondrien sowie auf das ADP/ATP-Verhältnis und die Respiration. Neben der Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten beeinflusst die Funktionalität der Mitochondrien auch die Bildung von Blüten- und Staubblättern. Diese Blütenorgane waren in der psd Dreifachmutante stark verändert, und der Blütenphänotyp ähnelte der APETALA3-Mutante. Dieses homöotische Gen ist für die Ausbildung von Blüten- und Staubblättern verantwortlich. Für die Erzeugung der Mutanten psd2-1 und psd3-1 wurde ein T-DNA Vektor verwendet, der den Promotor des APETALA3 Gens enthielt, welcher in den Mutanten psd2-1, psd3-1 sowie psd2-1psd3-1 und der psd1psd2-1psd3-1 Dreifachmutante eine vergleichbare Co-Suppression des APETALA3 Gens hervorruft. Der Blütenphänotyp trat jedoch nur in der psd Dreifachmutante auf, da nur in ihr die Kombination von geringen Funktionstörungen der Mitochondrien, hervorgerufen durch veränderte Lipidzusammensetzung, mit der Co-Suppression von APETALA3 auftritt. / Decarboxylation of phosphatidylserine (PS) to form phosphatidylethanolamine (PE) catalyzed by phosphatidylserine decarboxylase (PSD) is an essential reaction for mitochondria in yeast and mice. This dissertation describes the role of this biosynthesis pathway in plants for the first time. Three PSD genes were identified in Arabidopsis, atPSD1, atPSD2, atPSD3. The gene products localize to mitochondria (atPSD1), tonoplast (atPSD2) and endoplasmatic retikulum (atPSD3). Contribution to PE-synthesis of each PSD was analyzed using T-DNA insertion mutants. Thereby, atPSD3 was found to be the most active isoform. Alternatively, PE is also synthesized by the action of aminoalcohol phosphotransferase. Complete loss of PSD activity, like in the psd triple mutant, resulted in changes in lipid composition of mitochondria membranes exclusively. In conclusion the bulk of PE is synthesized by aminoalcohol phosphotransferase. Changed lipid composition of mitochondria did not result in changes of mitochondria number, structure, ADP/ATP ratio and respiration. Mitochondria functionality was formerly shown to effect formation of petals and stamens. These flower organs were drastically morphologically changed in psd triple mutants and showed strong similarities to APETALA3 mutants. APETALA3 is a homeotic gene responsible for specifying petals and stamens. Mutants psd2-1 and psd3-1 used for crossing psd double and triple mutants contained a T-DNA vector which include the promoter for APETALA3. This promoter caused co-suppression of the endogenous APETALA3 gene in all mutants isolated from the Arabidopsis Knockout Facility, whereas changed flower morphology occurred only in the triple mutant concluding a combined effect of co-suppression and a reduced functionality of mitochondria, caused by changed lipid composition.

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter, obligat-intrazellulärer, einzelliger Parasit, der die lebensbedrohliche Krankheit Toxoplasmose in Menschen und Tieren hervorrufen kann. Der schnell replizierende Parasit benötigt erhebliche Mengen an Phospholipiden zur Biogenese intra- und extrazellulärer Membranen. Phosphatidylethanolamin (PtdEtn) ist ein wichtiges und ubiquitäres Phospholipid in Pro- und Eukaryoten und das zweithäufigste Lipid in T. gondii. Dieses kann de novo über den CDP-Ethanolamin Stoffwechselweg oder durch Decarboxylierung von Phosphatidylserin synthetisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Expression von zwei distinkten Phosphatidylserin Decarboxylasen (PSDs) in T. gondii nachgewiesen werden: TgPSD1pv ist partiell löslich und wird über Dichte Granula in die Parasitophore Vakuole sekretiert, während sich TgPSD1mt im Mitochondrium von Tachyzoiten befindet. TgPSD1mt ist in der Lage einen Ethanolamin-auxotrophen S. cerevisiae Stamm zu komplementieren. Ein Knock-down von TgPSD1mt in T. gondii verursacht eine verlangsamte Parasitenreplikation, welche zu einem verminderten in vitro Wachstum führt. Der PtdEtn-Gehalt in der Mutante bleibt unverändert, was auf eine stringente Homöostase des zellulären PtdEtn Reservoirs durch alternative Lipidbiogenesewege hindeutet. Tatsächlich verfügt T. gondii zusätzlich über einen aktiven CDP-Ethanolamin Stoffwechselweg im Endoplasmatischen Retikulum, welcher den Verlust von TgPSD1mt partiell kompensieren kann. Das zweite, sekretierte TgPSD1pv-Enzym hingegen scheint für das Parasitenwachstum in vitro entbehrlich zu sein. Infektionsversuche mit radioaktiv markierten Wirtszellen zeigten zudem eine Aufnahme von PtdEtn oder PtdEtn-Derivaten in intrazellulär replizierenden Tachyzoiten. Diese Ergebnisse demonstrieren eine außergewöhnliche Kompartmentalisierung und Plastizität der PtdEtn-Synthese in T. gondii. / Toxoplasma gondii is a remarkably successful and widespread obligate intracellular protozoan parasite, which can cause the potentially life threatening disease Toxoplasmosis in humans and animals. The fast proliferating parasite requires a significant amount of phospholipids for biogenesis of organelles and enclosing vacuolar membranes. Phosphatidylethanolamine (PtdEtn) is one of the most ubiquitous phospholipids and the second most abundant lipid in T. gondii. It can be produced de novo by the CDP-ethanolamine pathway or by decarboxylation of phosphatidylserine. This work revealed the expression of two distinct PtdSer decarboxylase (PSD) enzymes in T. gondii: One of which is Coccidia-specific and partially soluble and secreted into the parasitophorous vacuole via dense granules (TgPSD1pv), and a second enzyme that localizes in the mitochondrion (TgPSD1mt) of tachyzoites. The mitochondrial PSD can complement a S. cerevisiae mutant auxotrophic for ethanolamine. A conditional knockdown of the TgPSD1mt gene impairs the parasite growth in vitro. Surprisingly, the mutant displayed an unaltered total PtdEtn content, which suggests a stringent homeostasis of the cellular PtdEtn pool by alternative routes of lipid biogenesis. Consistently, the parasite encodes an active CDP-ethanolamine pathway in the endoplasmic reticulum. Metabolic labeling of the TgPSD1mt mutant displayed an increased utilization of ethanolamine into PtdEtn, indicating an upregulation of the de novo CDP-ethanolamine pathway. Likewise, exogenous ethanolamine partially restored the growth phenotype of the mutant. In contrast, the TgPSD1pv enzyme is dispensable for the parasite growth. Host cell pre-labeling with radioactive ethanolamine indicated a potential uptake of host-derived PtdEtn or PtdEtn-derivates by intracellular parasites. Taken together, these results demonstrate an exceptional compartmentalization and plasticity of the PtdEtn synthesis in T. gondii.

Toxoplasma gondii ist wohl der am besten an den Menschen und Tieren angepasste Parasit der Welt und eine der Hauptursachen für Abtreibungen und opportunistsiche Infektionen. Das Verständnis der Stoffwechselflexibilität dieses Parasiten ist essentiel um seine Anpassungsfähigkeit nachzuvollziehen. Lipide sind Grundbestandteile der biologischen Membranen. Doch in den letzten Jahrzehnten sind neben der Biogenese der Membranen noch weitere Funktionen entdeckt worden. Hier berichten wir zum ersten Mal über Phosphatidylthreonin (PtdThr) als Hauptphospholipid von T. gondii und zeigen seine Beziehung mit seinem archetypischen Analogon, Phosphatidylserin (PtdSer). Wir identifizieren auch ein neues Parasitenenzym (TgPTS), welches von der regulären PtdSer-Synthase-Familie abgewichen ist und dieses sonst selten vorkommende Lipid synthetisiert. Die Gendeletion von TgPTS stoppte nicht nur die Synthese von PtdThr, sondern auch stark beeinträchtigt den lytischen Zyklus von T. gondii, insbesondere beim Aus- und Eintritt in die Wirtszellen, ohne dabei die Replikation des Parasiten zu verhindern. Unsere Arbeit zeigt, dass entweder ein niedriger Ca2+-Pool oder eine verminderte Ca2+-Mobilisierung aus dem endoplasmatischen Retikulum des Parasiten eine reduzierte Motilität verursachen, welche den beobachteten Phänotypen zugrunde liegt. Darüber hinaus fehlt es den mutierten Parasiten an PtdThr (Δtgpts), sie sind avirulent und üben vollständigen Schutz gegen akute und chronische Toxoplasmose in einem Mausmodell aus. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung der Parasitenlipide als therapeutisches Ziel und von genetisch abgeschwächten Stämmen für die Entwicklung von wirksamen Impfstoffen gegen Kokzidien. / Toxoplasma gondii is arguably the most succesful parasite in Earth and a major cause of abortion and opportunistic infections in humans and livestock. Understanding the metabolic flexibility of this parasite is essential to comprehend its adaptability. Lipids are basic components of biological membranes. However, in the last decades non-customary roles for lipids beyond membrane biogenesis have been recognized. Here we report for the first time phosphatidylthreonine (PtdThr) as a major phospholipid in T. gondii and show its relationship with its archetypical analog, phosphatidylserine (PtdSer). We also identify a novel parasite enzyme (TgPTS), which diverged from the mainstream PtdSer-synthase family to produce this otherwise rare lipid. Genetic ablation of TgPTS not only abolished PtdThr synthesis, but also impaired severely the lytic cycle of T. gondii, particularly the egress but also the invasion into host cells without affecting the parasite replication. Our work indicates that, either a lower Ca2+ pool and/or a diminished Ca2+ mobilization from the parasite endoplasmic reticulum cause a reduced gliding motility, which underlies the observed phenotypes. Moreover, the mutant parasites lacking PtdThr (Δtgpts) are avirulent and exert full protection against both, acute and chronic toxoplasmosis in a murine model. These results highlight the importance of parasite lipids as therapeutic targets and of genetically-attenuated strains in the development of effective vaccines against coccidian parasites.

In großen Teilen der Welt verursachen intrazelluläre Parasiten der Spezies Leishmania schwerwiegende Infektionen beim Menschen. Die Exposition eines Phospholipids (Phosphatidylserin, PS) steht unter Verdacht Fresszellen zur Aufnahme der Parasiten zu stimulieren. Bisher ist die Regulation der Phospholipidverteilung in der Plasmamembran dieser Parasiten kaum erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurde ein lipidtransportierender Proteinkomplex identifiziert, der einen wesentlichen Beitrag zur asymmetrischen Lipidverteilung in der Plasmamembran von Leishmania donovani leistet. Die Zerstörung des Komplexes führte zum Verlust des einwärts gerichteten Lipidtransports und zur Anreicherung von Phosphatidylethanolamin (PE) auf der Zelloberfläche des Parasiten. Diese veränderte Lipidasymmetrie hatte jedoch keinen Einfluss auf die Phagozytose durch Makrophagen. Darüber hinaus brachte die Untersuchung des Insektenstadiums (Promastigote) verschiedener Leishmania Spezies zu Tage, dass die Menge an PS unterhalb des Detektionslimits modernster Nachweisverfahren liegt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Parasit über einen Scramblase-Mechanismus verfügt, der durch intrazelluläres Kalzium stimulierbar ist. Die Scramblase-Aktivität ist, im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen einwärts gerichteten Lipidtransport, energieunabhängig und ermöglicht die bidirektionale Translokation von fluoreszenzmarkiertem Phosphatidylcholin (PC), PE, PS und Sphingomyelin (SM). Dementsprechend konnte nach Kalziumstimulierung endogenes PE auch in der äußeren Lipidschicht der Plasmamembran detektiert werden, wobei deren Barrierefunktion nicht beeinträchtigt wurde. Diese Ergebnisse geben neue Einblicke in die dynamische Regulation der Lipidverteilung über die Plasmamembran des Parasiten und verdeutlichen, dass die Exposition von PS und PE nicht essentiell für das Eindringen der Leishmanien in die Wirtszellen ist. / The protozoan parasite Leishmania causes severe infections in humans throughout the world. Following the transmission via sand flies to its mammalian host the extracellular parasite has to gain entry into phagocytic cells to initiate a successful infection. Specific surface exposed phospholipids have been implicated in Leishmania macrophage-interaction, but the mecha-nisms controlling and regulating the plasma membrane lipid distribution remains to be eluci-dated. In the present work a lipid transporting protein complex was identified in Leishmania dono-vani which plays an essential role in maintaining an asymmetric lipid distribution across the plasma membrane. Loss of the protein complex abolishes the inward-directed lipid transport and thus e.g. to an increased cell surface exposure of phosphatidylethanolamine (PE). In spite of this altered lipid asymmetry the uptake by macrophages is unaffected. Moreover, Leishma-nia promastigotes of different species lack detectable amounts of phosphatidylserine (PS) although being infective. Furthermore, a scramblase activity following a cytosolic calcium signal was demonstrated. This scramblase mechanism facilitated, in contrast to the previous described inward directed lipid transport, the bidirectional movement of fluorescent lipid analogues of PC, PE, PS and SM in an energy-independent manner. In accordance with these findings endogenous PE was exposed to the outer plasma membrane leaflet following the Ca2+-signal, while the plasma membrane itself remained intact. These results provide novel insight into the dynamic regulation of the transbilayer lipid distri-bution across the parasite plasma membrane and reveal that exposure of PS and PE is not cru-cial for invasion of the host cell by Leishmania donovani promastigotes.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration avec le groupe Guerbet. Il visait à caractériser la lésion qui fait suite à un accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique en imagerie par résonance magnétique (IRM) grâce à des agents de contraste novateurs. Guerbet et leurs collaborateurs ont développés des USPIO ciblés (ultrasmall superparamagnetic iron oxide), particules de fer couplées à des peptides reconnaissant spécifiquement un biomarqueur. Dans un modèle d’ischémie cérébrale avec reperfusion réalisé chez la souris, nous avons recherché la capacité de ces agents à caractériser la lésion d’une part en terme de type de mort cellulaire par le ciblage de la phosphatidylsérine (PS), marqueur cellulaire externalisé au cours de l’apoptose, et d’autre part en terme de déficit vasculaire par le ciblage de VCAM-1, molécule d’adhésion impliquée dans le processus inflammatoire. En ce qui concerne l’apoptose, nous avons tout d’abord montré par immunohistochimie l’expression de caspase-3 active, marqueur apoptotique, dès 6 heures et jusqu’à 72 heures après l’ischémie. Cependant, en IRM, l’utilisation d’USPIO ciblant la PS (le P03234 et le P03675) n’a pas permis la détection du phénomène apoptotique. Actuellement d’autres agents de contraste de ce type sont en cours de développement chez Guerbet. En ce qui concerne l’inflammation vasculaire, l’étude de l’expression de VCAM-1 par immunohistochimie a montré l’apparition d’un marquage dès 6 heures après l’ischémie avec un maximum à 24 heures. L’utilisation d’un USPIO-VCAM-1 (le P03011) a permis de mettre en évidence sur les images IRM des zones d’hypointensités dans la lésion, ce qui correspond à la présence de particules de fer. L'analyse histologique de ces cerveaux a montré une colocalisation de l’USPIO avec sa cible VCAM-1, ce qui établit la preuve de concept. Ces travaux ont permis mettre en évidence la capacité d’USPIO développés par Guerbet à cibler des marqueurs biologiques, notamment VCAM-1, à la suite d’une ischémie cérébrale. Ceci suggère que ce type d’agent de contraste pourrait être un bon outil clinique pour la caractérisation de la lésion ischémique chez les patients victimes d’AVC. / This work is a collaboration with Guerbet group. It aimed to characterize the lesion that follows an ischemic stroke with magnetic resonance imaging (MRI) by innovative contrast agents. Guerbet developped targeted USPIO (ultrasmall superparamagnetic iron oxide), which are iron particles coupled to peptides which specifically bind a biomarker. In a mouse model of cerebral ischemia-reperfusion, we studied the capacity of these agents to characterize the lesion on the one hand in terms of cellular death by targeting phosphatidylserin (PS), a cellular marker externalized during apoptosis, and on the other hand in terms of vascular deficit by targeting VCAM-1, an adhesion molecule implied in the inflammatory process. Concerning apoptosis, we showed by immunohistochemistry the expression of active caspase-3, an apoptotic marker, between 6 and 72 hours after ischemia. Nevertheless on MRI, the use of USPIO targeting PS (both P03234 and P03675) did not allow us to detect the apoptotic phenomenon. Currently, other PS-targeted contrast agents are developed by Guerbet. Concerning vascular inflammation, the study of VCAM-1 by immunohistochemistry showed an up-regulated expression 6 hours after ischaemia which reached a maximum at 24 hours. VCAM-1-USPIO (P03011) induced a decrease of the MRI signal appearing as hypointense foci in the lesion, which correspond to iron particles. The histological analysis of these brains showed a colocalisation of the USPIO with its target VCAM-1, which establishes the proof of concept. This work showed the capacity of USPIO developed by Guerbet to target biological markers, particularly VCAM-1, following cerebral ischemia. This suggests that this kind of contrast agent could be a good clinical tool to characterize the ischemic lesion in patients suffering from stroke.