Understanding the molecular mechanism of Plasmodium actin-based gliding motility

Malaria er en av de mest alvorlige sykdommer på verdensbasis både hva gjelder prevalens, insidens og dødelighet. Sykdommen er forårsaket av encellede eukaryote parasitter som overføres til den menneskelige vert av mygg. Malariaparasittene bruker en bestemt form for motilitet, såkalt gliding, for å komme inn i menneskets vertsceller. Kraften som er nødvendig få å generere denne bevegelsen er generert av et molekylært motorkompleks, der de to sentrale komponentene er proteinene aktin og myosin. Dette prosjekt tar sikte på å forstå det molekylære grunnlaget for hvorledes denne molekylære motoren fungerer. Resultatene fra prosjektet vil være viktig fra mange synspunkt. For det første vil det gi viktig evolusjonær kunnskap. Malariaparasittene står langt fra mennesket i den evolusjonære utvikling, og forståelse av hvordan de genererer sin bevegelighet vil kunne gi øket forståelse for cellemotilitet på generelt grunnlag. For det andre, og på grunn av det evolusjonære spennet mellom mennesker og malariaparasitten, kan proteinene vi skal studere være potensielle og attraktive mål for legemiddel- og/eller vaksineutvikling mot malaria. For det tredje, vil studier av cellemotilitet på molekylnivå øke vår forståelse av de grunnleggende cellulære prosesser for utvikling av sykdommer generelt, inkludert mange infeksjonssykdommer, hjerte- og skjelettmuskelsykdommer og kreft. I dette prosjektet benytter vi moderne strukturbiologiske teknikker supplert med biokjemiske og biofysiske metoder for å få en helhetlig bilde av det molekylære motorkomplekset av en viktig patogen for sykdom hos mennesket. Våre viktigste resultatene fra dette prosjektet er strukturer med høy oppløsning av malariaparasittens aktin alene og dekorert med motorproteinet MyoA. Disse strukturene gir ny innsikt i hvordan aktinpolymerisasjonsdynamikk reguleres av ATP-hydrolyse og fosfatfrigjøring, og hvordan MyoA genererer kraft for parasittmotilitet.

The overall objective of this project was to understand how force is generated in the apicomplexan actin-based gliding motility. The specific goals were: 1. To resolve actin protomer conformations within the filament at different stages of polymerisation and elucidate the link between ATP hydrolysis and polymerization. 2. To establish recombinant expression systems for six Plasmodium myosins and characterize them structurally and functionally. 3. To characterize the physical interactions of Plasmodium F-actin with myosins. Goal no. 1 was fully reached and the work has been published (Kumpula et al. PNAS 2018 and Kumpula et al. PLoS Biol 2019). Goal no. 2 was partly reached, as we have established recombinant expression systems for four out f the six Plasmodium myosins. We have performed biochemical and biophysical characterization of three of these. Goal no. 3 was reached and we are in the process of getting the Plasmodium actin I - MyoA complex published.

Malaria is one of the most devastating global diseases. The disease is caused by unicellular eukaryotic parasites of the genus Plasmodium, which belong to the phylum Apicomplexa. Apicomplexan parasites use a particular form of motility, termed gliding, to traverse tissues and enter host cells. Force for gliding is generated by an unconventional actin-myosin motor, which is part of a large membrane-associated protein complex called the glideosome. Most components of the glideosome are known, but detailed molecular mechanisms of how force is generated and transformed into rapid and smooth gliding are not understood. Apicomplexa are early-branched organisms, and our work is aimed at shedding light on the evolutionary relationships of the cytoskeleton and motor proteins in these parasites and higher eukaryotes and comparing the ways in which force is produced for different forms of cell motility. Glideosome proteins, including actin and myosin, are either unique to Apicomplexa or highly divergent from their human counterparts. Thus, they are attractive targets for drug and/or vaccine development. In addition, understanding cell motility at the molecular level enhances our understanding of fundamental cellular processes from development to disease, including many infectious diseases, cardiac and skeletal muscle disorders, and cancer. The specific objectives of the proposed project include (i) characterizing the structure of Plasmodium actin filaments and its complexes at high resolution, (ii) elucidating the mechanism of ATP hydrolysis and its link to actin polymerization, (iii) structural and functional characterization of all Plasmodium myosins, and (iv) structure determination of Plasmodium actin-myosin complexes. We use most modern structural biology techniques complemented by biochemical and biophysical methods to gain a holistic understading of the motor complex. Particularly innovative is our novel approach to generate crystallizable actin filament mimics.