ldentification of PfAP2-HS as the master regulator of the heat shock response in the human malaria parasites Plasmodium falciparum

Abstract

Malaria disease is caused by protozoan Plasmodium sp. parasites. Among the species of Plasmodium that produce infection in humans, P. falciparum is the responsible for the majority of cases and deaths worldwide. The main mode of transmission in humans is through the bite of an infected female Anopheles mosquito. The invasion of erythrocytes and the developmental cycle occurring within this cells (intraerythrocytic developmental cycle) are responsible of the symptomatology associated to malaria disease. The hallmark of symptomatic malaria is periodic fever, which in P. falciparum infections typically occurs every 48 h and can reach to more than 40ºC. Consequently, parasites are periodically exposed to changes of temperature, suggesting that they may have developed mechanisms to survive to such conditions, although the related mechanism is not clear.

In this thesis, we used heat shock assays to mimic physiological fever episodes in vitro and study the mechanism of response to heat shock by which P. falciparum parasites can survive to such stress. On the one hand, we have identified the PfAP2-HS transcription factor as the main regulator of the protective heat shock response, characterized by a rapid induction of the expression of a reduced group of genes (hsp70-1, hsp90 and PF3D7_1421800). HSP70-1 and HSP90 are known chaperones involved in the heat shock response in model organisms. Moreover, both genes have two highly conserved copies of the PfAP2-HS DNA binding motif in their promoter region, suggesting that a direct regulation of hsp70-1 and hsp90 may be driven by this transcription factor. On the other hand, we have characterized the transcriptional alterations occurring independently of PfAP2-HS, mainly related with cellular damage or further mechanisms of stress response.

PfAP2-HS role in the heat shock response is analogous to HSF1, a transcription factor highly conserved among eukaryotes. Although both proteins are structurally divergent, they play similar functions not only during the heat shock response, but also under basal conditions. HSF1 is involved in development, metabolism and protein homeostasis, among other cellular processes. Similarly, we have found that PfAP2-HS is also involved in the developmental cycle, being essential for the correct growth and replication of the parasite under basal conditions. In such cases, PfAP2-HS target genes are mostly related with translation, metabolism, invasion and protein homeostasis maintenance. Related with this latter role, we have determined that the correct PfAP2-HS activity is necessary to ensure survival to drugs that are known to alter protein homeostasis, such as the frontline antimalarial drug dihydroartemisinin.

Directed responses play a key role in model eukaryotes, but it was unclear whether such mechanisms are also present in Plasmodium sp. With the present thesis, we corroborate the capacity of parasites to both sense and external change and drive a specific transcriptional response to ensure survival. Indeed, we describe the mechanism of heat shock response in P. falciparum parasites, an adaptive strategy that relies on the PfAP2-HS transcription factor to drive the protective response.

La malària és una malaltia causada pel protozou Plasmodium sp., un paràsit intracel·lular que és transmès als humans a través de la picada d’un mosquit. El creixement del paràsit a l’interior dels eritròcits és el responsable dels símptomes associats a aquesta malaltia, entre els quals la febre periòdica és el més característic. En infeccions causades per P. falciparum, l’espècie més virulenta i mortal que afecta humans, aquests episodis es produeixen típicament cada 48h. Conseqüentment, durant la infecció els paràsits estan constantment exposats a canvis de temperatura i probablement estan adaptats a aquestes condicions.

Mitjançant simulacions de febre in vitro (xoc tèrmic), en aquest projecte hem estudiat el mecanisme de resposta pel qual els paràsits són capaços de sobreviure a aquest tipus d’estrès. Per una banda, hem identificat el factor de transcripció PfAP2-HS com a regulador clau de la resposta protectora a xoc tèrmic. Aquesta resposta es caracteritza per una ràpida inducció de l’expressió d’un grup reduït de gens, entre els quals destaquen hsp70-1 i hsp90, dues conegudes xaperones involucrades en la resposta a xoc tèrmic en organismes model. Per altra banda, hem caracteritzat les alteracions transcripcionals independents de PfAP2-HS, relacionades majoritàriament amb dany cel·lular o altres mecanisme d’estrès.

La funció de PfAP2-HS en la resposta a estrès tèrmic és anàloga a la del factor de transcripció HSF1, conservat en la majoria d’organismes eucariotes. A més, igual que HSF1, PfAP2-HS també duu a terme funcions en condicions basals, essent essencial pel correcte desenvolupament i replicació del paràsit. En aquest cas, els gens diana de PfAP2-HS estan relacionats amb la traducció, el metabolisme, la invasió i el manteniment de l’homeòstasi proteica. Hem pogut comprovar també que la correcta activitat de PfAP2-HS és necessària per la supervivència a dihidroartemisinina, el fàrmac antimalàric més utilitzat actualment.

Les respostes dirigides juguen un paper clau en eucariotes model per sobreviure a un canvi fluctuant en l’ambient, però fins ara no s’havia descrit encara cap mecanisme semblant a Plasmodium sp. En aquest projecte no només demostren que els paràsits P. falciparum també poden activar una resposta transcripcional dirigida, sinó que també identifiquem PfAP2-HS com el factor de transcripció clau que regula aquesta resposta.