Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter einzelliger Parasit, der fast alle warmblütigen Organismen infizieren kann. Asexuelle Fortpflanzung des Parasiten in seiner Wirtszelle wird durch aufeinanderfolgende lytische Zyklen erreicht, was die Bereitstellung einer signifikanten Menge an Energie und Biomasse erforderlich macht. Diese Arbeit zeigt, dass Glukose und Glutamin die beiden wichtigsten physiologischen Nährstoffe für die Synthese von Makromolekülen (ATP, Nukleinsäure, Proteine und Lipide) in T. gondii sind. Die Verfügbarkeit einer der beiden Kohlenstoffquellen reicht aus, um das Überleben des Parasiten sicherzustellen. Der Parasit kann durch Erhöhen des Flusses von Glutamin-abstammendem Kohlenstoff durch den TCA-Zyklus und durch gleichzeitige Aktivierung der Gluconeogenese, eine stetige Biogenese von ATP und Biomasse zur Wirtszellinvasion und Replikation gewährleisten, bzw. der genetischen Deletion des Glukosetransporters entgegenwirken. Der Wachstumsdefekt in der Glykolyse-Mutante wird durch eine kompromittierte Synthese von Lipiden verursacht, die durch Glutamin nicht ausgeglichen werden kann. Die Zugabe von exogenem Acetat kann diesen Wachstumsdefekt allerdings kompensieren. In dieser Arbeit konnten darüber hinaus zwei unterschiedliche Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) Enzyme im Parasiten identifiziert werden, von denen eines im Mitochondrium lokalisiert ist (TgPEPCKmt), während das andere Protein nicht in Tachyzoiten (TgPEPCKnet) exprimiert wird. Parasiten mit intakter Glykolyse können die Deletion von TgPEPCKnet, als auch die genetische Deletion von TgPEPCKmt tolerieren, was ihre Redundanz für das Überleben der Tachyzoiten zeigt. TgPEPCKnet kann auch in der Glykolyse-defizienten Mutante deletiert werden, während TgPEPCKmt für das Überleben des Parasiten in dieser Mutante essentiell ist. Dies zeigte sich durch ein konditionelles Knockdown von TgPEPCKmt, das zu einer Inhibierung des Wachstums des Parasiten führte. / Toxoplasma gondii is a widespread protozoan parasite, infecting nearly all warm-blooded organisms. Asexual reproduction of the parasite within its host cells is achieved by consecutive lytic cycles, which necessitates biogenesis of significant energy and biomass. This work shows that glucose and glutamine are the two major physiologically important nutrients used for the synthesis of macromolecules (ATP, nucleic acid, proteins and lipids) in T. gondii, and either of them is sufficient to ensure the parasite survival. The parasite can counteract genetic ablation of its glucose transporter by increasing the flux of glutamine-derived carbon through the TCA cycle and by concurrently activating gluconeogenesis, which guarantee a continued biogenesis of ATP and biomass for host-cell invasion and parasite replication, respectively. Growth defect in the glycolysis-impaired mutant is caused by a compromised synthesis of lipids, which cannot be counterbalanced by glutamine, but can be restored by acetate. Consistently, supplementation of parasite cultures with exogenous acetate can amend the lytic cycle of the glucose transport mutant. Furthermore, this work revealed two discrete phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) enzymes in the parasite, one of which resides in the mitochondrion (TgPEPCKmt), whereas the other protein is not expressed in tachyzoites (TgPEPCKnet). Parasites with an intact glycolysis can tolerate genetic deletions of TgPEPCKmt as well as of TgPEPCKnet, indicating their nonessential roles for the tachyzoite survival. TgPEPCKnet can also be ablated in glycolysis-deficient mutant, whereas TgPEPCKmt is refractory to deletion. In accord, the lytic cycle of a conditional mutant of TgPEPCKmt in the glycolysis-impaired strain was aborted upon induced repression of the mitochondrial isoform, demonstrating its essential role for the glucose-independent survival of tachyzoites.

Das Überleben und die Vermehrung der parasitär lebenden Apicomplexa setzen eine effiziente Synthese von Phospholipiden während ihres gesamten Lebenszyklus voraus. In dieser Arbeit nutzten wir zunächst Eimeria falciformis um den Prozess der Lipid-Biogenese in Sporozoiten zu untersuchen. Durch Lipidomics-Analysen wurde das Auftreten von zwei exklusiven Lipiden, Phosphatidylthreonin (PtdThr) und Inositolphosphorylceramid. Der Parasit exprimiert fast das gesamte Lipid-Biogenese- Netzwerk aus eukaryotischen und prokaryotischen Enzymen. Toxoplasma gondii diente als genmanipulierbarer Ersatz für die Untersuchung der Eimeria-Enzyme, mit dem wir ein stark räumlich segmentiertes Netzwerk der Lipidsynthese im Apicoplast, ER, Golgi und Mitochondrium zeigen konnten. Ebenso legte die Komplementierung einer T. gondii-Mutante mit einer PtdThr-Synthase von E. falciformis eine konvergente Funktion von PtdThr für den lytischen Zyklus von Kokzidien-Parasiten nahe. Außerdem setzten wir T. gondii als etablierten Modelorganismus ein, um die De- novo-Synthese und die metabolische Rolle eines bedeutenden Lipidvorläufers, CDP- Diacylglycerin (CDP-DAG), zu untersuchen. Wir konnten zwei phylogenetisch divergente CDP-DAG-Synthase (CDS) Enzyme in T. gondii nachweisen. Das eukaryotisch-typische TgCDS1 und das prokaryotisch-typische TgCDS2 lokalisieren im ER bzw. im Apicoplast. Der konditionierte Knockdown von TgCDS1 bremst das Parasitenwachstum stark ab, was den fast vollständigen Verlust der Virulenz im Mausmodell hervorruft. Das restliche marginale Wachstum der TgCDS1 Mutante wird durch zusätzliche Deletion der TgCDS2 verhindert. Lipidomics-Analysen zeigten eine signifikante und spezifische Abnahme der Phosphatidylinositol (PtdIns)- und Phosphatidylglycerol (PtdGro)-Level bei Verlust der TgCDS1- bzw. TgCDS2-Gene. Zusammengenommen zeigt unsere Arbeit ein Phospholipid-Biogenese-Modell mit erstaunlicher Kooperation verschiedener Organellen und einem extensiven Lipidtransport im Parasiten. / The survival and proliferation of apicomplexan parasites oblige efficient synthesis of phospholipids throughout their life cycles. Here, we first deployed Eimeria falciformis to investigate the process of lipid biogenesis in sporozoites. Lipidomics analyses demonstrate the occurrence of two exclusive lipids phosphatidylthreonine (PtdThr) and inositol phosphorylceramide along with other prototypical lipids. The parasite expresses nearly the entire lipid biogenesis network, which is an evolutionary mosaic of eukaryotic- and prokaryotic-type enzymes. Using Toxoplasma gondii as a gene- tractable surrogate to examine the Eimeria enzymes, we show a highly compartmentalized network of lipid synthesis distributed primarily in the apicoplast, ER, Golgi and mitochondrion. Likewise, trans-species complementation of a T. gondii mutant with a PtdThr synthase from E. falciformis suggests a convergent function of PtdThr in promoting the lytic cycle in coccidian parasites. We also employed the well-established model parasite T. gondii to explore de novo synthesis and metabolic roles of one major lipid precursor CDP-diacylglycerol (CDP- DAG). We report the occurrence of two phylogenetically divergent CDP-DAG synthase (CDS) enzymes in T. gondii. Eukaryotic-type TgCDS1 and prokaryotic-type TgCDS2 reside in the ER and apicoplast, respectively. Conditional knockdown of TgCDS1 severely attenuates parasite growth, which translates into a nearly complete loss of virulence in a mouse model. Residual growth of the TgCDS1 mutant is abolished by subsequent deletion of TgCDS2. Lipidomics analyses reveal significant and specific decline in phosphatidylinositol (PtdIns) and phosphatidylglycerol (PtdGro) upon loss of TgCDS1 and TgCDS2, respectively. Taken together, our work establishes a phospholipid biogenesis model involving significant inter-organelle cooperation and lipid trafficking in apicomplexan parasites.

Der cGMP-Signalweg ist als einer der Hauptregulatoren von diversen Funktionen in Eukaryoten bekannt; allerdings ist seine Funktionsweise in Protozoen wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Guanylatcyclase, gekoppelt mit N-terminalen P4-ATPase, in intrazellulären Parasiten Toxoplasma gondii gemeldet. Eine in silico-Analyse wies auf eine Aktivierung der Guanylatcyclase durch Heterodimerisierung ihrer Cyclasedomänen hin und ermöglichte wertvolle Einsichten in mögliche Funktionen ihrer ATPase-Domäne. Dieses Protein (477-kDa) bezeichnet als TgATPaseP-GC in dieser Studie, lokalisiert in der Plasmamembran am apikalen Pol des Parasiten. TgATPaseP-GC ist unempfänglich gegenüber genetischer Deletion und seine CRISPR/Cas9 unterstützte Spaltung beendet den lytischen Zyklus von T. gondii vorzeitig. Darüber hinaus reduzierte ein Cre/loxP-vermittelter Knockdown von TgATPaseP-GC die Synthese von cGMP im Tachyzoiten und inhibierte das Parasitenwachstum aufgrund von Beeinträchtigungen Motilitäts-abhängiger Prozesse des Austretens und Eindringens. Trotz seiner zeitlich beschränkten Funktion ist TgATPaseP-GC konstitutiv während des ganzen lytischen Zyklus exprimiert, welches eine post-translationale Regulierung des cGMP-Signalweges bedingt. Nicht zuletzt impliziert das Vorhandensein von TgATPaseP-GC-Orthologen in anderen Alveolata eine divergente Umfunktionierung der cGMP-Signalwege in Protozoen. Darüber hinaus wurde ein optogenetischer Ansatz verwendet, um den cGMP-Weg durch eine photo-aktivierte Rhodopsin-Guanylat-Cyclase (RhoGC) in T. gondii zu exprimiert. Dieses System erlaubte eine kontrollierte Erhöhung von cGMP durch Licht in einer schnellen und reversiblen Weise. Die Anregung von RhoGC stimulierte signifikant die Parasitenmotilität, deren Auswirkung auch mit erhöhten Eindringen und Austreten überwacht wurde; im Gegensatz zum genetischen Knockdown von TgATPaseP-GC. Das System ermöglicht die Vermittler des cGMP-Signalwegs durch Phosphoproteomics zu identifizieren. / cGMP signaling is known as one of the master regulators of diverse functions in eukaryotes; however, its architecture and functioning in protozoans remain poorly understood. In the scope of this thesis, an exclusive guanylate cyclase coupled with N-terminal P4-ATPase was reported in an obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii. In silico analysis indicated an activation of the guanylate cyclase by heterodimerization of its two cyclase domains and offered valuable insights into possible functions of its ATPase domain. This bulky protein (477-kDa), termed in this study as TgATPaseP-GC to reflect its envisaged multifunctionality, localizes in the plasma membrane at the apical pole of the parasite. TgATPaseP-GC is refractory to genetic deletion, and its CRISPR/Cas9-assisted disruption aborts the lytic cycle of T. gondii. Besides, Cre/loxP-mediated knockdown of TgATPaseP-GC reduced the synthesis of cGMP in tachyzoites and inhibited the parasite growth due to impairments of motility-dependent egress and invasion events. Notably, despite its temporally restricted function, TgATPaseP-GC is expressed constitutively throughout the lytic cycle, entailing a post-translational regulation of cGMP signaling. Not least, the occurrence of TgATPaseP-GC orthologs in several other alveolates implies a divergent functional repurposing of cGMP signaling in protozoans. Furthermore, an optogenetic approach was utilized to induce cGMP pathway by a photo-activated rhodopsin-guanylate cyclase (RhoGC) in T. gondii. The system enabled a light-control of cGMP elevation on crucial steps of lytic cycle in a fast, spatial and reversible manner. Excitation of RhoGC significantly stimulated the parasite motility of which impact was also monitored with an increased host-cell invasion and egress; as opposed to the genetic knockdown of TgATPaseP-GC. Having an established optogenetic system in the parasite allows to identify downstream targets of cGMP signaling via phosphoproteomic analysis.