Abstract Leishmania are unicellular parasites that cause human and animal disease. Alongside other organisms in kinetoplastida, they have evolved an unusual genome architecture that requires all RNA polymerase II transcribed genes to be expressed constitutively, with transcriptional start regions denoted by histone variants and histone lysine acetylation. However, the way these chromatin marks are interpreted by the cell is not understood. Seven predicted bromodomain factors (BDF1-7), the reader modules for acetyl-lysine, were identified across Leishmania genomes. Using L. mexicana as a model, Cas9-driven gene deletions indicate that BDF1-5 are essential for promastigote survival, whilst DiCre inducible gene deletion of the dual bromodomain factor BDF5 identified it to be essential for both promastigotes and amastigotes. ChIP-seq assessment of BDF5s genomic distribution revealed it as highly enriched at transcriptional start sites. Using an optimised proximity proteomic and phosphoproteomic technique, XL-BioID, we defined the BDF5-proximal environment to be enriched for other bromodomain factors, histone acetyltransferase 2, and proteins essential for transcriptional activity and RNA processing. Inducible deletion of BDF5, led to a disruption of pol II transcriptional activity and global defects in gene expression. Our results indicate the requirement of Leishmania to interpret histone acetylation marks for normal levels of gene expression and thus cellular viability.

Abstract The implementation of prospective drug resistance (DR) studies in the R&D pipelines is a common practice for many infectious diseases, but not for Neglected Tropical Diseases. Here, we explored and demonstrated the importance of this approach, using as paradigms Leishmania donovani , the etiological agent of Visceral Leishmaniasis (VL), and TCMDC-143345, a promising compound of the GSK ‘Leishbox’ to treat VL. We experimentally selected resistance to TCMDC-143345 in vitro and characterized resistant parasites at genomic and phenotypic levels. We found that it took more time to develop resistance to TCMDC-143345 than to other drugs in clinical use and that there was no cross resistance to these drugs, suggesting a new and unique mechanism. By whole genome sequencing, we found two mutations in the gene encoding the L. donovani dynamin-1-like protein (LdoDLP1) that were fixed at highest drug pressure. Through phylogenetic analysis, we identified LdoDLP1 as a family member of the dynamin-related proteins, a group of proteins that impacts the shapes of biological membranes by mediating fusion and fission events, with a putative role in mitochondrial fission. We found that L. donovani lines genetically engineered to harbor the two identified LdoDLP1 mutations were resistant to TCMDC-143345 and displayed altered mitochondrial properties. By homology modeling, we showed how the two LdoDLP1 mutations may influence protein structure and function. Taken together, our data reveal a clear involvement of LdoDLP1 in the adaptation/resistance of L. donovani to TCMDC-143345. Importance Humans and their pathogens are continuously locked in a molecular arms race during which the eventual emergence of pathogen drug resistance (DR) seems inevitable. For neglected tropical diseases (NTDs), DR is generally studied retrospectively, once it has already been established in clinical settings. We previously recommended to keep one step ahead in the host-pathogen arms race and implement prospective DR studies in the R&D pipeline, a common practice for many infectious diseases, but not for NTDs. Here, using Leishmania donovani , the etiological agent of Visceral Leishmaniasis (VL), and TCMDC-143345, a promising compound of the GSK ‘Leishbox’ to treat VL, as paradigms, we experimentally selected resistance to the compound and proceeded to genomic and phenotypic characterization of DR parasites. The results gathered in the present study suggest a new DR mechanism involving the L. donovani dynamin-1 like protein (LdoDLP1) and demonstrate the practical relevance of prospective DR studies.

Abstract Trypanosoma cruzi is a unicellular parasite that causes Chagas disease, which is endemic in the American continent but also worldwide distributed by migratory movements. A striking feature of trypanosomatids is the polycistronic transcription associated with post-transcriptional mechanisms that regulate the levels of translatable mRNA. In this context, epigenetic regulatory mechanisms have been revealed of great importance, since they are the only ones that would control the access of RNA polymerases to chromatin. Bromodomains are epigenetic protein readers that recognize and specifically bind to acetylated lysine residues, mostly at histone proteins. There are seven coding sequences for BD-containing proteins in trypanosomatids, named Tc BDF1 to Tc BDF7, and a putative new protein-containing a bromodomain that was recently described. Using the Tet regulated overexpression plasmid p Tc INDEX-GW and CRISPR/Cas9 genome editing we were able to demonstrate the essentiality of Tc BDF2 in T cruzi . This bromodomain is located in the nucleus, through a bipartite nuclear localization signal. Tc BDF2 was shown to be important for host cell invasion, amastigote replication, and differentiation from amastigotes to trypomastigotes. Overexpression of Tc BDF2 diminished epimastigote replication. Also, some processes involved in pathogenesis were altered in these parasites, such as infection of mammalian cells, replication of amastigotes, and the number of trypomastigotes released from host cells. In in vitro studies, Tc BDF2 was also able to bind inhibitors showing a specificity profile different from that of the previously characterized Tc BDF3. These results, point to Tc BDF2 as a druggable target against T. cruzi .

Bromodomains are structural folds present in all eukaryotic cells that bind to other proteins recognizing acetylated lysines. Most proteins with bromodomains are part of nuclear complexes that interact with acetylated histone residues and participate in regulating DNA replication, transcription, and repair through chromatin structure remodeling. Bromodomain inhibitors are small molecules that bind to the hydrophobic pocket of bromodomains, interfering with the interaction with acetylated histones. Using a fluorescent probe, we have developed an assay to select inhibitors of the bromodomain factor 2 of Trypanosoma cruzi ( Tc BDF2) using fluorescence polarization. Initially, a library of 28,251 compounds was screened in an endpoint assay. The top 350 ranked compounds were further analyzed in a dose-response assay. From this analysis, 7 compounds were obtained that had not been previously characterized as bromodomain inhibitors. Although these compounds did not exhibit significative trypanocidal activity, all showed bona fide interaction with Tc BDF2 with dissociation constants between 1 and 3 uM validating these assays to search for bromodomain inhibitors.