Super-resolution microscopy to analyze replication and gliding motility in Toxoplasma gondii

Song, Yuan (2025): Super-resolution microscopy to analyze replication and gliding motility in Toxoplasma gondii. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

Super-resolution microscopy (SRM) techniques each possess distinct advantages, limitations, and specific conditions for application. The selection of an appropriate method should be guided by the properties of the interest protein and the availability of suitable antibodies or fluorescent dyes for labeling. SUN and KASH domain proteins are fundamental components of LINC complexes, which have been well-studied in many eukaryotic systems. However, their presence and functional significance in apicomplexan parasites remain poorly understood, despite indirect evidence suggesting their existence. In collaboration with Mirjam Wagner, this study investigates the subcellular localization and functional role of TgSLP1,a SUN-like protein, in T. gondii using SRM. Our results indicate that TgSLP1 is critical for maintaining centrocone assemblage and ensuring precise nuclear division during endodyogetic process. We hypothesize that TgSLP1 is a member of apicomplexan-unique LINC complex, which mediates the connection between the bipartite centrosome and centromeres. However, the identification of potential KASH-like interactors was left as an open question for future research. As an obligate intracellular protozoan, Toxoplasma gondii relies on an actin-based gliding mechanism for its dissemination and host cell invasion. These processes are facilitated by a conserved motility apparatus known as the glideosome, which comprises essential molecular components, including filamentous actin (F-actin), myosins, glideosome-associated proteins (GAPs), and glideosome-associated connector (GAC) motor complexes. These components collectively mediate force generation and transmission, enabling parasite movement and host cell penetration. The linear model has been the predominant framework for explaining Toxoplasma gondii motility. However, recent advancements in conditional knockout (KO) strategies, microscopy technologies, and a comprehensive review of existing literature suggest the need for a reevaluation of this model to better align with emerging experimental evidence. SRM studies have revealed the situation of F-actin, MyoA, GAC, and MyoH within the cytosol of Toxoplasma gondii. MyoA and GAP45 were found localized at PM-IMC space, while GAC, FRM1, and MyoH were localized at the conoid and implicated in gliding motility. Additionally, the potential presence of F-actin within the PM-IMC space and the dynamic behavior of FRM1 require further investigation. Based on these observations, we propose alternative hybrid linear models for parasite motility. One model suggests that the IMC is permeable, allowing actin and MyoA to traverse its open alveolar structure, facilitating actin recycling. Alternatively, motility may be driven solely by microtubule-based mechanisms, given the association of FRM1 and MyoH with microtubules. Further researches are required to elucidate the potential mechanisms and validate our hypotheses.

Abstract

Die Verfahren der Super-Resolution-Mikroskopie (SRM) weisen jeweils unterschiedliche Vorteile, Einschränkungen und spezifische Anwendungsbedingungen auf. Die Auswahl einer geeigneten Methode sollte sich an den Eigenschaften des Zielproteins und der Verfügbarkeit geeigneter Antikörper oder Fluoreszenzfarbstoffe zur Markierung orientieren. SUN- und KASH-Domänenproteine sind grundlegende Bestandteile von LINC-Komplexen, die in vielen eukaryotischen Systemen gut untersucht wurden. Ihr Vorkommen und ihre funktionelle Bedeutung in Apicomplexa-Parasiten sind jedoch noch immer wenig erforscht, obwohl es indirekte Hinweise auf ihre Existenz gibt. In Zusammenarbeit mit Mirjam Wagner untersucht diese Studie die subzelluläre Lokalisierung und funktionelle Rolle von TgSLP1, einem SUN-ähnlichen Protein, in T. gondii mittels SRM. Unsere Ergebnisse zeigen, dass TgSLP1 für die Aufrechterhaltung der Centrocone-Integrität und die Gewährleistung einer präzisen Kernsegregation während der Endodyogenie von entscheidender Bedeutung ist. Wir gehen davon aus, dass TgSLP1 Teil eines Apicomplexa-spezifischen LINC-Komplexes ist, der die Verbindung zwischen dem zweiteiligen Centrosom und den Centromeren vermittelt. Die Identifizierung eines potenziellen KASH-ähnlichen Bindungspartners bleibt jedoch eine offene Frage für zukünftige Forschungen. Als obligat intrazellulärer Protozoon ist Toxoplasma gondii für seine Verbreitung und Invasion in Wirtszellen auf einen Aktin-basierten Gleitmechanismus angewiesen. Diese Prozesse werden durch einen konservierten Motilitätsapparat namens Glideosom erleichtert, der aus wesentlichen molekularen Komponenten besteht, darunter filamentöses Aktin (F-Aktin), Myosine, Glideosom-assoziierte Proteine (GAPs) und Glideosom-assoziierte Konnektor-Motorkomplexe (GAC). Diese Komponenten vermitteln gemeinsam Krafterzeugung und -übertragung und ermöglichen so die Bewegung des Parasiten und das Eindringen in die Wirtszelle. Das lineare Modell war der vorherrschende Rahmen zur Erklärung der Motilität von Toxoplasma gondii. Jüngste Fortschritte bei bedingten Knockout-Strategien (KO), Mikroskopietechnologien und eine umfassende Überprüfung der vorhandenen Literatur legen jedoch die Notwendigkeit einer Neubewertung dieses Modells nahe, um es besser an neue experimentelle Erkenntnisse anzupassen. SRM-Studien haben die Lokalisierung von F-Aktin, MyoA, GAC und MyoH im Zytosol von Toxoplasma gondii gezeigt. MyoA und GAP45 wurden im Raum zwischen der PM und IMC gefunden, während GAC, FRM1 und MyoH am Konoid lokalisiert und an der Gleitmotilität beteiligt waren. Darüber hinaus müssen das mögliche Vorhandensein von F-Aktin im PM-IMC-Raum und das dynamische Verhalten von FRM1 weiter untersucht werden. Basierend auf diesen Beobachtungen schlagen wir alternative hybride lineare Modelle für die Parasitenmotilität vor. Ein Modell legt nahe, dass der IMC durchlässig ist, sodass Aktin und MyoA seine offene Alveolarstruktur durchqueren können, was das Aktinrecycling erleichtert. Alternativ kann die Motilität aufgrund der Assoziation von FRM1 und MyoH mit Mikrotubuli ausschließlich durch mikrotubulibasierte Mechanismen gesteuert werden. Weitere Studien sind erforderlich, um die zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären und diese Hypothesen zu bestätigen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 26. Juli 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Meißner, Markus