Mode of action of antimalarial compounds targeting the mitochondrial function using yeast as a model
Etude du mode d’action de composés antipaludiques qui ciblent la fonction mitochondriale, en utilisant la levure comme modèle
Résumé
Malaria is caused by the Plasmodium parasite transmitted by mosquitoes. The disease remains today a major health issue with hundreds of thousands deaths every year. The development of new antimalarial compounds and/or the improvement of already available drugs is urgently needed. Compounds that could target all the stages of the life cycle of the parasite would be the best. Such drugs could be used in symptomatic treatment, for relapse prevention but also to block the transmission of the disease. In this work, I studied the mode of action of two antimalarial compounds, namely plasmodione and proguanil. Plasmodione is a new lead compound that targets the parasite both at the blood stage and at the gametocyte stage responsible for the transmission from human to mosquito. Proguanil has been in use for many years. Yet its mode of action is not understood although it is known to be an efficient synergistic partner of the antimalarial atovaquone that targets the mitochondrial respiratory chain bc1 complex. I used yeast as a model organism and an approach of genetics (construction, selection and analysis of mutants) and biochemistry (enzymatic activity tests) in order to decipher the mode of action of these compounds. The results indicate that plasmodione is a pro-drug transformed into active metabolites that then enter in a cycle of oxido-reductions (redox) producing reactive oxygen species (ROS). The resulting oxidative stress causes growth arrest. These data are in agreement with results obtained with the parasite. I showed that mitochondrial flavoproteins, mainly of the respiratory chain and Krebs cycle, play a key role in plasmodione activity. The NADH-dehydrogenases catalyse the redox reactions using the active plasmodione metabolites as substrates, leading to ROS production. The succinate-dehydrogenase is likely to be involved in the transformation of plasmodione in its active metabolites. Thus the functioning of the mitochondrial enzymes are required for the activity of plasmodione. The mitochondria is also a key element in the mode of action of proguanil. In a previously published report, the authors had hypothesized that proguanil would target a mitochondrial enzymatic system involved in the generation of the membrane potential. However the data I obtained do not seem to validate that hypothesis. They lead rather to the following hypothesis: proguanil would accumulate in the mitochondria, probably to high concentrations, which would affect essential mitochondrial functions leading to cell death. A number of questions remain open and more work are needed to uncover proguanil mode of action.
Causé par un parasite du genre Plasmodium transmis par les moustiques, le paludisme est encore aujourd’hui un fléau causant des centaines de milliers de morts tous les ans. Le développement de nouvelles molécules antipaludiques et/ou l’amélioration des molécules déjà présentes sur le marché est une urgence sanitaire. Des molécules pouvant cibler tous les stades du cycle de vie du parasite seraient idéales. Ces molécules permettraient le traitement symptomatique et la prévention des rechutes mais aussi empêcheraient la transmission de la maladie. Dans ce travail, j’ai étudié le mécanisme d’action de deux molécules à activité antipaludique : la plasmodione et le proguanil. La plasmodione est en cours de développement et cible le parasite à la fois au stade sanguin et sous sa forme gamétocyte responsable de la transmission de l’homme au moustique. Le proguanil est une molécule déjà sur le marché depuis longtemps mais dont le mode d’action n’est pas encore compris bien qu’il soit un excellent partenaire synergique de l’antipaludique atovaquone, un inhibiteur du complexe bc1 de la chaine respiratoire mitochondriale. Pour cette étude, à l’aide du modèle levure, j’ai utilisé une approche génétique (construction, sélection et analyse de mutants) et biochimique (test d’activité enzymatique) afin de décrypter le mode d’action de ces molécules. Les résultats obtenus indiquent que la plasmodione est une ‘pro-drogue’ qui est transformée en métabolites actifs qui entrent ensuite dans un cycle de réactions d’oxydo-réduction (redox) produisant des espèces réactives de l’oxygène (ROS). Le stress oxydant qui en résulte provoque l’arrêt de croissance. Ces résultats sont en accord avec les données venant des études avec le parasite. J’ai montré que des flavoprotéines mitochondriales, principalement de la chaine respiratoire et du cycle de Krebs, jouent un rôle clé dans l’activité de la plasmodione. Ainsi les NADH déshydrogénases catalysent les réactions redox en utilisant les métabolites actifs de la plasmodione comme substrats aboutissant à une production de ROS. La succinate-déshydrogénase pourrait être impliquée dans la transformation de la plasmodione en métabolites actifs. Le fonctionnement de ces enzymes mitochondriales est donc requis pour que l’activité inhibitrice de la plasmodione soit observée. La mitochondrie est aussi un élément clé dans le mode d’action du proguanil. Dans une étude publiée précédemment, les auteurs avaient émis l’hypothèse que le proguanil ciblerait un système enzymatique mitochondrial participant au maintien du potentiel membranaire. Mais les résultats que j’ai obtenus ici ne semblent pas valider ce modèle. Ils conduisent plutôt à l’hypothèse que le proguanil s’accumulerait dans la mitochondrie, peut-être à de fortes concentrations. Cette accumulation affecterait des fonctions mitochondriales essentielles, résultant dans la mort de la cellule. De nombreuses questions restent ouvertes et plus de travail sera requis pour décrypter le mode d’action du proguanil.
Origine : Version validée par le jury (STAR)