Abstract Trypanosoma brucei , a protist responsible for human African trypanosomiasis (sleeping sickness), is transmitted by the tsetse fly, where the procyclic forms of the parasite develop in the proline-rich (1-2 mM) and glucose-depleted digestive tract. Proline is essential for the midgut colonization of the parasite in the insect vector, however other carbon sources could be available and used to feed its central metabolism. Here we show that procyclic trypanosomes can consume and metabolize metabolic intermediates, including those excreted from glucose catabolism (succinate, alanine and pyruvate), with the exception of acetate, which is the ultimate end-product excreted by the parasite. Among the tested metabolites, tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates (succinate, malate and α-ketoglutarate) stimulated growth of the parasite in the presence of 2 mM proline. The pathways used for their metabolism were mapped by proton-NMR metabolic profiling and phenotypic analyses of a dozen RNAi and/or null mutants affecting central carbon metabolism. We showed that ( i ) malate is converted to succinate by both the reducing and oxidative branches of the TCA cycle, which demonstrates that procyclic trypanosomes can use the full TCA cycle, ( ii ) the enormous rate of α-ketoglutarate consumption (15-times higher than glucose) is possible thanks to the balanced production and consumption of NADH at the substrate level and ( iii ) α-ketoglutarate is toxic for trypanosomes if not appropriately metabolized as observed for an α-ketoglutarate dehydrogenase null mutant. In addition, epimastigotes produced from procyclics upon overexpression of RBP6, showed a growth defect in the presence of 2 mM proline, which is rescued by α-ketoglutarate, suggesting that physiological amounts of proline are not sufficient per se for the development of trypanosomes in the fly. In conclusion, these data show that trypanosomes can metabolize multiple metabolites, in addition to proline, which allows them to confront challenging environments in the fly. Author Summary In the midgut of its insect vector, trypanosomes rely on proline to feed their energy metabolism. However, the availability of other potential carbon sources that can be used by the parasite is currently unknown. Here we show that tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates, i.e. succinate, malate and α-ketoglutarate, stimulate growth of procyclic trypanosomes incubated in medium containing 2 mM proline, which is in the range of the amounts measured in the midgut of the fly. Some of these additional carbon sources are needed for the development of epimastigotes, which differentiate from procyclics in the midgut of the fly, since their growth defect observed in the presence of 2 mM proline is rescued by addition of α-ketoglutarate. In addition, we have implemented new approaches to study a poorly explored branch of the TCA cycle converting malate to α-ketoglutarate, which was previously described as non-functional in the parasite, regardless of the glucose levels available. The discovery of this branch reveals that a full TCA cycle can operate in procyclic trypanosomes. Our data broaden the metabolic potential of trypanosomes and pave the way for a better understanding of the parasite’s metabolism in various organ systems of the tsetse fly, where it evolves.

Abstract Mitochondrial ATP-synthesis is catalyzed by a F1Fo-ATP synthase, an enzyme of dual genetic origin enriched at the edge of cristae where it plays a key role in their structure/stability. The enzyme’s biogenesis remains poorly understood, both from a mechanistic and a compartmentalization point of view. The present study provides novel molecular insights into this process through investigations on a human protein called TMEM70 with an unclear role in the assembly of ATP synthase. A recent study has revealed the existence of physical interactions between TMEM70 and the subunit c (Su.c), a protein present in 8 identical copies forming a transmembrane oligomeric ring (c-ring) within the ATP synthase proton translocating domain (F O ). Herein we analyzed the ATP-synthase assembly in cells lacking TMEM70, mitochondrial DNA or F1 subunits and observe a reciprocal dependence of TMEM70 and Su.c levels, regardless of the status of other ATP synthase subunits or of mitochondrial bioenergetics. Immunoprecipitation and two-dimensional blue-native/SDS-PAGE reveal that TMEM70 forms large oligomers composed of 8 TMEM70 dimers and that TMEM70 oligomers interact with Su.c not yet incorporated into ATP synthase complexes. Moreover, discrete TMEM70-Su.c complexes with increasing Su.c contents can be detected, suggesting a role for TMEM70 oligomers in the gradual assembly of the c-ring. Furthermore, we demonstrate using expansion super-resolution microscopy the specific localization of TMEM70 at the inner cristae membrane, distinct from the MICOS component MIC60. Taken together, our results show that TMEM70 oligomers provide a scaffold for c-ring assembly and that mammalian ATP synthase is assembled within inner cristae membranes.

ABSTRACT African trypanosomes are eukaryotic parasites that exist in two main replicative forms; the procyclic form in the midgut of the insect vector, the tsetse fly Glossina spp. and the bloodstream form responsible for diseases in humans and cattle. Unlike most other eukaryotes, where mitochondria continuously fuse and divide, trypanosome mitochondria form a single and continuously interconnected network that only divides during cytokinesis. The machineries governing mitochondrial remodeling and interconnection, however, remain largely unknown. We characterize a dynamin-related protein (DRP) from T. brucei ( Tb DBF, previously called Tb MfnL) that depicts sequence similarities with Opa1 and Mfn, mammalian DRPs involved mitochondrial fusion. We showed that Tb DBF has closely related homologues in several organisms that are devoid of Mfn and Opa1, such as eukaryotes from different phyla, prokaryotes and archaea. Tb DBF is the first member of this new protein family to be functionally characterized. It localizes to the mitochondrial periphery and, upon overexpression, induces a strong increase in the interconnection and branching of mitochondrial filaments in a GTPase dependent manner. Its overexpression also promotes a major increase in cellular and mitochondrial volume and an increased consumption of the two major carbon sources used by the parasite (glucose and proline), as well as ethanolamine, a precursor of phosphatidyl-ethanolamine involved in membrane biogenesis and shaping. We propose that mitochondrial Tb DBF is a component of an ancestral membrane remodeling machinery that contributes to the formation of intermitochondrial connections.

SUMMARY Kinetoplastids are unicellular eukaryotic flagellated parasites found in a wide range of hosts within the animal and plant kingdoms. They are known to be responsible in humans for African sleeping sickness ( Trypanosoma brucei ), Chagas disease ( Trypanosoma cruzi ), and various forms of leishmaniasis ( Leishmania spp.), as well as several animal diseases with important economic impact (African trypanosomes, including T. congolense ). Understanding the biology of these parasites necessarily implies the ability to manipulate their genomes. In this study, we demonstrate that transfection of a ribonucleoprotein complex, composed of recombinant Streptococcus pyogenes Cas9 ( Sp Cas9) and an in vitro -synthesized guide RNA, results in rapid and efficient genetic modifications of trypanosomatids, in marker-free conditions. This approach was successfully developed to inactivate, delete and mutate candidate genes in various stages of the life cycle of T. brucei and T. congolense , and Leishmania promastigotes. The functionality of Sp Cas9 in these parasites now provides, to the research community working on these parasites, a rapid and efficient method of genome editing, without requiring plasmid construction and selection by antibiotics. Importantly, this approach is adaptable to any wild-type parasite, including field isolates.

Microorganisms must make the right choice for nutrient consumption to adapt to their changing environment. As a consequence, bacteria and yeasts have developed regulatory mechanisms involving nutrient sensing and signaling, allowing to redirect cell metabolism to maximize the consumption of an energy-efficient carbon source. Here, we report a new mechanism, named "metabolic contest", for regulating the use of carbon sources without nutrient sensing and signaling. In contrast to most microorganisms, trypanosomes show a glycerol-to-glucose preference that depends on the combination of three conditions: (i) the sequestration of both metabolic pathways in the same subcellular compartment, here in the peroxisomal-like organelles named glycosomes; (ii) the competition for the same substrate, here ATP, with the first enzymatic step of the glycerol and glucose metabolic pathways being both ATP-dependent (glycerol kinase and hexokinase, respectively) and (iii) an unbalanced activity between the competing enzymes, here the glycerol kinase activity being ∼80-fold higher than the hexokinase activity.