A unique subcellular structure found in Leishmania donovani is the glycosome. This organelle compartmentalizes the enzymatic machinery required for multiple metabolic pathways, including glycolysis. Correct targeting of glycosomal enzymes is essential for parasite viability. Proteins targeted to the glycosome have either a C-terminal PTS1 or N-terminal PTS2 topogenic signal sequence, which is recognized by cytosolic receptors LdPEX5 or LPEX7, respectively. These cargo-loaded receptors interact with the peroxin protein LdPEX14, located on the cytosolic face of the glycosomal membrane, an event required for import of the cargo proteins into the glycosomal lumen. However, the complete glycosomal protein import pathway has not been fully elucidated. This work has been undertaken to better understand the protein-protein interactions involved in the trafficking of cargo proteins across the glycosomal membrane.The cytosolic fraction from L. donovani parasites was used to determine protein-protein interactions of receptors LdPEX5 and LPEX7. Size exclusion chromatography, isoelectric focusing, and affinity pull-downs showed that in the cytosol these receptors form large heterologous PTS1-LdPEX5-LPEX7-PTS2 complexes. Purified glycosomes were used to evaluate the effects of receptor-cargo complexes on glycosomal LdPEX14 conformation. Limited trypsin proteolysis showed that interaction of receptor-cargo complexes with native LdPEX14 protected this protein from digestion, whereas native LdPEX14 alone was highly sensitive to proteolysis. Protection was not dependent on membrane integrity as disruption of the lipid bilayer did not alter the effect of trypsin on these proteins. Native gel electrophoresis showed that native LdPEX14 forms large ~800 kDa complexes; however, when associated with receptor-cargo complexes the molecular weight of LdPEX14 complexes increased to ~1200 kDa. Alkaline carbonate extractions showed that native LdPEX14 acts like a peripheral glycosomal membrane protein; however loading with receptor-cargo complexes caused LdPEX14 to behave like an integral membrane protein. Furthermore, membrane insertion of LdPEX14 drove insertion of LdPEX5 and LPEX7 into the glycosomal membrane. Receptor-cargo complex association causes LdPEX14 to undergo a conformational change resulting in deeper membrane insertion and increase in complex size.Purification of recombinant LPEX7 was hampered by its association with bacterial chaperone protein GroEL. A refolding technique was developed to purify LPEX7 from inclusion bodies free of bacterial proteins. Far Western and protein-protein affinity assays showed that refolded LPEX7 specifically bound PTS2 proteins as both a monomer and a dimer, the co-receptor LdPEX5, and LdPEX14. Mapping of the interaction domains on LPEX7 showed that LPEX7-PTS2 interaction required the entire receptor protein, while LdPEX5 and LdPEX14 interaction motifs were situated in the N-terminal region of LPEX7.There are metabolites in glycosomes that are not imported via the peroxin based glycosomal import pathway but by glycosomal membrane transporters. L-arginine is one such metabolite; it is the substrate for the PTS1 glycosomal enzyme arginase, which catalyses the first step in the polyamine biosynthetic pathway. L-arginine is scavenged from the extracellular milieu and by the L-arginine transporter, amino acid permease 3 (LdAAP3). Subcellular fractionation showed that LdAAP3 localized to both the plasma and glycosomal membranes. Furthermore, L. donovani promastigotes were capable of sensing the L-arginine levels in the media and upregulated LdAAP3 expression on the plasma and glycosome membrane in the absence of L-arginine. These studies provide evidence that metabolite specific transporters are present on the glycosomal membrane.Together these studies contribute to the elucidation of glycosomal function in Leishmania donovani, and a better understanding of some of the mechanisms required for glycosomal import. / Le glycosome est une structure subcellulaire unique qui se trouve dans le parasite Leishmania donovani. Cette organelle compartimente la machinerie enzymatique requise pour de multiples voies métaboliques, y compris la glycolyse. Le bon ciblage des enzymes du glycosome est essentiel pour la viabilité du parasite. Les protéines ciblées pour le glycosome ont une séquence signal topogénique, un PTS1 C-terminale ou un PTS2 N-terminale, qui est reconnue par les récepteurs cytosoliques, le LdPEX5 ou le LPEX7, respectivement. Ces complexes de récepteurs chargés s'interagissent avec la protéine LdPEX14, située du côté cytosolique de la membrane glycosomale, un événement requis pour le transport des protéines à travers la membrane du glycosome. Cependant, la voie complète d'importation de protéines glycosomales n'a pas été totalement élucidée. Ce travail a été entrepris pour mieux comprendre ces interactions protéine-protéine.La fraction cytosolique des parasites L.donovani a été utilisée pour déterminer les interactions protéine-protéine des récepteurs LdPEX5 et LPEX7. La chromatographie d'exclusion de taille, la focalisation isoélectrique, et les interactions d'affinité proteine-proteine ont montré que, dans les cytosols, ces récepteurs forment des grands complexes hétérologues. Les glycosomes purifiés ont été utilisés pour évaluer l'effet des complexes récepteur sur la conformation du LdPEX14. Une protéolyse limitée a montré que l'interaction du LdPEX14 chargé avec les complexes récepteur l'à protèger de la digestion à la surface de la membrane. L'électrophorèse sur gel natif a montré que le LdPEX14 forme des grands complexes de ~ 800 kDa et que lorsqu'il est associé à des complexes récepteur, le poids moléculaire des complexes LdPEX14 passe à ~ 1200 kDa. Les extractions avec le carbonate alcalin a déterminé que le LdPEX14 seul s'agit comme une protéine périphérique; mais son chargement avec des complexes récepteur l'entrainer à s'agir comme une protéine membranaire intégrale. L'insertion de LdPEX14 dans la membrane du glycosome conduit à l'insertion du LdPEX5 et LPEX7 dans la membrane aussi. L'association des complexes récepteur à causer LdPEX14 à subir un changement de conformation causant l'insertion profonde dans la membrane et l'augmentation de la taille des complexes.La purification du récepteur LPEX7 recombinante été entravée par son association avec la protéine chaperonne bactérienne GroEL. Une technique de repliement a été développé pour purifier LPEX7 en évitant l'association de protéines bactériennes. Les techniques de Far Western et d'affinité protéine-protéine ont montré que ce LPEX7 replier est spécifiquement associé à des protéines PTS2, le co-récepteur LdPEX5, et le LdPEX14. La cartographie des domaines d'interaction de LPEX7 a montré que l'interaction LPEX7-PTS2 nécessit le LPEX7 entière, alors que les motifs d'interaction avec LdPEX5 et LdPEX14 étaient situés dans sa région N-terminale.Il y a des métabolites glycosomal qui ne sont pas importés par la voie de l'importation glycosomale, mais par des transporteurs membranaires du glycosome. L-arginine est un de ces métabolites, substrat de l'enzyme glycosomale PTS1 arginase. L-arginine est récupéré dans le milieu extracellulaire par son transporteur, LdAAP3. Un fractionnement subcellulaire a été utilisés pour séparer les membranes plasmiques des glycosomes, et LdAAP3 a été localisé sur les deux membranes. De plus, des promastigotes de L. donovani sont capable de detecter le niveau de L-arginine dans le millieu, ce qui provoque une régulation positive de l'expression de LdAAP3 à la fois dans la membrane plasmique et dans la membrane du glycosome. Ces études fournissent des preuves que des transporteurs de métabolites spécifique sont présent dans la membrane du glycosome.Ensemble, ces études contribuent à l'élucidation de la fonction glycosomale de Leishmania donovani, et une meilleure compréhension de certains mécanismes nécessaires pour l'importation glycosomale.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.122960 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Strasser, Rona |
| Contributors | Armando Jardim (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Institute of Parasitology) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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