Inhibition of Plasmepsin V Activity Demonstrates Its Essential Role in Protein Export, PfEMP1 Display, and Survival of Malaria Parasites

• DOI: 10.1371/journal.pbio.1001897
• Publication Date: 2014-07-01T21:09:42Z
• Authors: Brad E. Sleebs; Sash Lopaticki; Danushka S. Marapana; Matthew T. O'Neill; Pravin Rajasekaran; Michelle Gazdik; Svenja Günther; Lachlan W. Whitehead; Kym N. Lowes; Lea Barfod; Lars Hviid; Philip J. Shaw; Anthony N. Hodder; Brian J. Smith; Alan F. Cowman; Justin A. Boddey
• Keywords: 0301 basic medicine; 570; Cell biology; Aspartic Acid Proteases; Erythrocytes; QH301-705.5; Plasmodium falciparum; Immunology; Protozoan Proteins; Endoplasmic Reticulum; Microbiology; Gene; Biochemistry; 630; 03 medical and health sciences; Virology; Health Sciences; Parasite hosting; Aspartic Acid Endopeptidases; Humans; Biology (General); Global Impact of Arboviral Diseases; Biology; Sulfonamides; Gene knockdown; Virulence; FOS: Clinical medicine; Mechanisms of Multidrug Resistance in Cancer; Public Health, Environmental and Occupational Health; Computer science; Malaria; Protease; 3. Good health; World Wide Web; Protein Transport; Oncology; Enzyme; FOS: Biological sciences; Medicine; Plasmodium vivax; Oligopeptides; Apicomplexa; Research Article

El parásito de la malaria Plasmodium falciparum exporta varios cientos de proteínas al eritrocito infectado que están involucradas en la remodelación celular y la virulencia severa. El mecanismo de exportación involucra el elemento de exportación Plasmodium (PEXEL), que es un sitio de escisión para la proteasa del parásito, Plasmepsina V (PMV). El gen PMV es refractario a la deleción, lo que sugiere que es esencial, pero faltan pruebas definitivas. Aquí, generamos un inhibidor mimético de PEXEL que bloquea potentemente la actividad de PMV aislado de P. falciparum y Plasmodium vivax. La evaluación de la actividad de PMV en P. falciparum reveló que la escisión de PEXEL ocurre de forma cotraduccional, similar a la peptidasa de señal. El tratamiento de los eritrocitos infectados por P. falciparum con el inhibidor causó la inhibición dependiente de la dosis del procesamiento de PEXEL, así como la exportación de proteínas, incluida la alteración de la presentación de la adhesina de virulencia principal, PfEMP1, en la superficie de los eritrocitos y la citoadherencia. El inhibidor mató a los parásitos en la etapa de trofozoíto y la reducción de PMV mejoró la sensibilidad al inhibidor, mientras que la sobreexpresión de PMV aumentó la resistencia. Esto proporciona la primera evidencia directa de que la actividad del PMV es esencial para la exportación de proteínas en Plasmodium spp. y para la supervivencia del parásito en eritrocitos humanos y valida el PMV como un objetivo de fármaco antipalúdico.<br/>يقوم طفيلي الملاريا Plasmodium falciparum بتصدير عدة مئات من البروتينات إلى كريات الدم الحمراء المصابة التي تشارك في إعادة تشكيل الخلايا والفوعة الشديدة. تتضمن آلية التصدير عنصر تصدير البلازموديوم (PEXEL)، وهو موقع انقسام للبروتياز الطفيلي، البلازميبين V (PMV). إن جين PMV مقاوم للحذف، مما يشير إلى أنه ضروري، ولكن لا يوجد دليل قاطع. هنا، أنشأنا مثبط محاكاة PEXEL الذي يمنع بشكل فعال نشاط PMV المعزول عن P. falciparum و Plasmodium vivax. كشف تقييم نشاط PMV في P. falciparum أن انقسام PEXEL يحدث بشكل متزامن، على غرار ببتيدات الإشارة. تسبب علاج كريات الدم الحمراء المصابة بالشلل المنجلي بالمثبط في تثبيط يعتمد على الجرعة لمعالجة PEXEL وكذلك تصدير البروتين، بما في ذلك ضعف عرض التصاق الفوعة الرئيسي، PfEMP1، على سطح كريات الدم الحمراء، والارتباط الخلوي. قتل المثبط الطفيليات في مرحلة التروفوزويت وعززت الضربة القاضية من PMV الحساسية للمثبط، في حين زاد التعبير المفرط عن PMV من المقاومة. يوفر هذا أول دليل مباشر على أن نشاط PMV ضروري لتصدير البروتين في Plasmodium spp. ولبقاء الطفيليات في كريات الدم الحمراء البشرية ويثبت صحة PMV كهدف دوائي مضاد للملاريا.<br/>The malaria parasite Plasmodium falciparum exports several hundred proteins into the infected erythrocyte that are involved in cellular remodeling and severe virulence. The export mechanism involves the Plasmodium export element (PEXEL), which is a cleavage site for the parasite protease, Plasmepsin V (PMV). The PMV gene is refractory to deletion, suggesting it is essential, but definitive proof is lacking. Here, we generated a PEXEL-mimetic inhibitor that potently blocks the activity of PMV isolated from P. falciparum and Plasmodium vivax. Assessment of PMV activity in P. falciparum revealed PEXEL cleavage occurs cotranslationaly, similar to signal peptidase. Treatment of P. falciparum-infected erythrocytes with the inhibitor caused dose-dependent inhibition of PEXEL processing as well as protein export, including impaired display of the major virulence adhesin, PfEMP1, on the erythrocyte surface, and cytoadherence. The inhibitor killed parasites at the trophozoite stage and knockdown of PMV enhanced sensitivity to the inhibitor, while overexpression of PMV increased resistance. This provides the first direct evidence that PMV activity is essential for protein export in Plasmodium spp. and for parasite survival in human erythrocytes and validates PMV as an antimalarial drug target.<br/>Le parasite du paludisme Plasmodium falciparum exporte plusieurs centaines de protéines dans l'érythrocyte infecté qui sont impliquées dans le remodelage cellulaire et la virulence sévère. Le mécanisme d'exportation implique l'élément d'exportation Plasmodium (PEXEL), qui est un site de clivage de la protéase parasitaire, la Plasmepsine V (PMV). Le gène PMV est réfractaire à la délétion, ce qui suggère qu'il est essentiel, mais il manque une preuve définitive. Ici, nous avons généré un inhibiteur PEXEL-mimétique qui bloque puissamment l'activité du PMV isolé de P. falciparum et Plasmodium vivax. L'évaluation de l'activité du PMV chez P. falciparum a révélé que le clivage PEXEL se produit par cotranslation, de manière similaire à la peptidase signal. Le traitement des érythrocytes infectés par P. falciparum avec l'inhibiteur a provoqué une inhibition dose-dépendante du traitement par PEXEL ainsi que de l'exportation de protéines, y compris une altération de l'affichage de l'adhésine de virulence majeure, PfEMP1, à la surface des érythrocytes et de la cytoadhérence. L'inhibiteur a tué les parasites au stade trophozoïte et l'élimination du PMV a augmenté la sensibilité à l'inhibiteur, tandis que la surexpression du PMV a augmenté la résistance. Cela fournit la première preuve directe que l'activité du PMV est essentielle à l'exportation de protéines chez Plasmodium spp. et à la survie des parasites dans les érythrocytes humains et valide le PMV en tant que cible du médicament antipaludique.<br/>