Toxoplasma gondii is a foodborne pathogen that can cause severe and life-threatening infections in fetuses and immunocompromised patients. Felids are its only definitive hosts, and a wide range of animals, including humans, serve as intermediate hosts. When the transmissible bradyzoite stage is orally ingested by felids, they transform into merozoites that expand asexually, ultimately generating millions of gametes for the parasite sexual cycle. However, bradyzoites in intermediate hosts differentiate exclusively to disease-causing tachyzoites, which rapidly disseminate throughout the host. Though tachyzoites are well-studied, the molecular mechanisms governing transitioning between developmental stages are poorly understood. Each parasite stage can be distinguished by a characteristic transcriptional signature, with one signature being repressed during the other stages. Switching between stages require substantial changes in the proteome, which is achieved in part by ubiquitination. F-box proteins mediate protein poly-ubiquitination by recruiting substrates to SKP1, Cullin-1, F-Box protein E3 ubiquitin ligase (SCF-E3) complexes. We have identified an F-box protein named Toxoplasma gondii F-Box Protein L2 (TgFBXL2), which localizes to distinct perinucleolar sites. TgFBXL2 is stably engaged in an SCF-E3 complex that is surprisingly also associated with a COP9 signalosome complex that negatively regulates SCF-E3 function. At the cellular level, TgFBXL2-depleted parasites are severely defective in centrosome replication and daughter cell development. Most remarkable, RNAseq data show that TgFBXL2 conditional depletion induces the expression of stage-specific genes including a large cohort of genes necessary for sexual commitment. Together, these data suggest that TgFBXL2 is a latent guardian of stage specific gene expression in Toxoplasma and poised to remove conflicting proteins in response to an unknown trigger of development.

ABSTRACT Glycosylphosphatidylinositols (GPIs) are highly conserved anchors for eukaryotic cell surface proteins. The apicomplexan parasite, Toxoplasma gondii , is a widespread intracellular parasite of warm-blooded animals whose plasma membrane is covered with GPI-anchored proteins, and free GPIs called GIPLs. While the glycan portion is conserved, species differ in sidechains added to the triple mannose core. The functional significance of the Glcα1,4GalNAcβ1-sidechain reported in Toxoplasma gondii has remained largely unknown without an understanding of its biosynthesis. Here we identify and disrupt two glycosyltransferase genes and confirm their respective roles by serology and mass spectrometry. Parasites lacking the sidechain on account of deletion of the first glycosyltransferase, PIGJ, exhibit increased virulence during primary and secondary infections, suggesting it is an important pathogenesis factor. Cytokine responses, antibody recognition of GPI-anchored SAGs, and complement binding to PIGJ mutants are intact. In contrast, the scavenger receptor CD36 shows enhanced binding to PIGJ mutants, potentially explaining a subtle tropism for macrophages detected early in infection. Galectin-3, which bind GIPLs, exhibits a slight enhancement of binding to PIGJ mutants, and the protection of galectin-3 knockout mice from lethality suggests that Δpigj parasite virulence in this context is sidechain dependent. Parasite numbers are not affected by Δpigj early in the infection in wildtype mice, suggesting a breakdown of tolerance. However, increased tissue cysts in the brains of mice infected with Δpigj parasites indicate an advantage over wildtype strains. Thus, the GPI sidechain of T. gondii plays a crucial and diverse role in regulating disease outcome in the infected host. Summary The functional significance of sidechain modifications to the GPI anchor is yet to be determined because the glycosyltransferases responsible for these modifications have not been identified. Here we present identification and characterization of both T . gondii GPI sidechain-modifying glycosyltransferases. Removal of the glycosyltransferase that adds the first GalNAc to the sidechain results in parasites without a sidechain on the GPI, and increased parasite virulence. Loss of the second glycosyltransferase results in a sidechain with GalNAc alone, and no glucose added, and has negligible effect on parasite virulence. This indicates GPI sidechains as fundamental to host-parasite interactions.

ABSTRACT Toxoplasma gondii is a foodborne pathogen that can cause severe and life-threatening infections in fetuses and immunocompromised patients. Felids are its only definitive hosts, and a wide range of animals, including humans, serve as intermediate hosts. When the transmissible bradyzoite stage is orally ingested by felids, they transform into merozoites that expand asexually, ultimately generating millions of gametes for the parasite sexual cycle. However, bradyzoites in intermediate hosts differentiate exclusively to disease-causing tachyzoites, which rapidly disseminate throughout the host. Though tachyzoites are well-studied, the molecular mechanisms governing transitioning between developmental stages are poorly understood. Each parasite stage can be distinguished by a characteristic transcriptional signature, with one signature being repressed during the other stages. Switching between stages requires substantial changes in the proteome, which is achieved in part by ubiquitination. F-box proteins mediate protein poly-ubiquitination by recruiting substrates to SKP1, Cullin-1, F-Box protein E3 ubiquitin ligase (SCF-E3) complexes. We have identified an F-box protein named Toxoplasma gondii F-Box Protein L2 (TgFBXL2), which localizes to distinct nuclear sites. TgFBXL2 is stably engaged in an SCF-E3 complex that is surprisingly also associated with a COP9 signalosome complex that negatively regulates SCF-E3 function. At the cellular level, TgFBXL2-depleted parasites are severely defective in centrosome replication and daughter cell development. Most remarkable, RNA seq data show that TgFBXL2 conditional depletion induces the expression of genes necessary for sexual commitment. We suggest that TgFBXL2 is a latent guardian of sexual stage development in Toxoplasma and poised to remove conflicting proteins in response to an unknown trigger of sexual development. AUTHOR SUMMARY Toxoplasma gondii is a protozoan parasite that replicates sexually in felids and asexually in nearly all other mammals with each life stage having a specific transcriptional profile. When life stage specific transcription is not properly controlled, the parasite dies and therefore it’s important to understand what inhibits expression of sexual stage genes during asexual growth and vice versa. Here we identify a ubiquitin E3 ligase complex that inhibits sexual stage gene expression during asexual growth.

Infection by the protozoan parasite Toxoplasma gondii is a major health risk owing to its chronic nature, ability to reactivate to cause blindness and encephalitis, and high prevalence in human populations. Like nearly all eukaryotes, Toxoplasma glycosylates many of its proteins and lipids and assembles polysaccharides. Unlike most eukaryotes, Toxoplasma divides and differentiates in vacuoles within host cells. While their glycans resemble canonical models, they exhibit species-specific variations that have inhibited deeper investigations into their roles in parasite biology and virulence. The genome of Toxoplasma encodes a suite of likely glycogenes expected to assemble a range of N-glycans, O-glycans, a C-glycan, GPI-anchors, and polysaccharides, along with their requisite precursors and membrane transporters. To facilitate genetic approaches to investigate the roles of specific glycans, we mapped probable connections between 59 glycogenes, their enzyme products, and the glycans to which they contribute. We adapted a double-CRISPR/Cas9 strategy and a mass spectrometry-based glycomics workflow to test these relationships, and conducted infection studies in fibroblast monolayers to probe cellular functions. Through the validated disruption of 17 glycogenes, we also discovered novel Glc0-2-Man6-GlcNAc2-type N-glycans, GalNAc2- and Glc-Fuc-type O-glycans, and a nuclear O-Fuc type glycan. We describe the guide sequences, disruption constructs, and mutant strains, which are freely available to practitioners for application in the context of the relational map to investigate the roles of glycans in their favorite biological processes.

By binding to the adaptor protein SKP1 and serving as substrate receptors for the Skp1, Cullin, F-box E3 ubiquitin ligase complex, F-box proteins regulate critical cellular processes including cell cycle progression and membrane trafficking. While F-box proteins are conserved throughout eukaryotes and are well studied in yeast, plants, and animals, studies in parasitic protozoa are lagging. We have identified eighteen putative F-box proteins in the Toxoplasma genome of which four have predicted homologs in Plasmodium . Two of the conserved F-box proteins were demonstrated to be important for Toxoplasma fitness and here we focus on an F-box protein, named TgFBXO1, because it is the most highly expressed by replicative tachyzoites and was also identified in an interactome screen as a Toxoplasma SKP1 binding protein. TgFBXO1 interacts with Toxoplasma SKP1 confirming it as a bona fide F-box protein. In interphase parasites, TgFBXO1 is a component of the Inner Membrane Complex (IMC), which is an organelle that underlies the plasma membrane. Early during replication, TgFBXO1 localizes to the developing daughter cell scaffold, which is the site where the daughter cell IMC and microtubules form and extend from. TgFBXO1 localization to the daughter cell scaffold required centrosome duplication but occurred before segregation of the centrocone, which connects the spindle pole to the centrosomes. Daughter cell scaffold localization required TgFBXO1 N-myristoylation and was dependent on the small molecular weight GTPase, TgRab11b. Finally, we demonstrate that TgFBXO1 is required for parasite growth due to its function as a daughter cell scaffold effector. TgFBXO1 is the first F-box protein to be studied in apicomplexan parasites and represents the first protein demonstrated to be important for daughter cell scaffold function.AUTHOR SUMMARY Toxoplasma gondii is a protozoan parasite that can cause devastating and life-threatening disease in immunocompromised patients and in fetuses. Its replication is important to study because parasite growth is responsible for the pathology that develops in toxoplasmosis patients. The parasite replicates by a unique process named endodyogeny in which two daughter parasites develop within the mother cell. Early during this process the parasite creates a structure called the Daughter Cell Scaffold whose function is to mark the site from which daughter parasites will emerge. Here, we report the identification of one of the first proteins recruited to the Daughter Cell Scaffold and its importance in executing its function.

Skp1, a subunit of E3 Skp1/Cullin-1/F-box protein ubiquitin ligases, is uniquely modified in protists by an O2-dependent prolyl hydroxylase that generates the attachment site for a defined pentasaccharide. Previous studies demonstrated the importance of the core glycan for growth of the parasite Toxoplasma gondii in fibroblasts, but the significance of the non-reducing terminal sugar was unknown. Here, we find that a homolog of glycogenin, an enzyme that can initiate and prime glycogen synthesis in yeast and animals, is required to catalyze the addition of an α-galactose in 3-linkage to the subterminal glucose to complete pentasaccharide assembly in cells. A strong selectivity of the enzyme (Gat1) for Skp1 in extracts is consistent with other evidence that Skp1 is the sole target of the glycosyltransferase pathway. gat1 -disruption results in slow growth attesting to the importance of the terminal sugar. Molecular dynamics simulations provide an explanation for this finding and confirm the potential of the full glycan to control Skp1 organization as in the amoebozoan Dictyostelium despite the different terminal disaccharide assembled by different glycosyltransferases. Though Gat1 also exhibits low α-glucosyltransferase activity like glycogenin, autoglycosylation is not detected and gat1 -disruption reveals no effect on starch accumulation. A crystal structure of the ortholog from the crop pathogen Pythium ultimum explains the distinct substrate preference and regiospecificity relative to glycogenin. A phylogenetic analysis suggests that Gat1 is related to the evolutionary progenitor of glycogenin, and acquired a role in glycogen formation following the ancestral disappearance of the underlying Skp1 glycosyltransferase prior to amoebozoan emergence.* DBA : Dolichos biflorus lectin Dd : Dictyostelium discoideum FBP : F-box protein GaGlFGaGn– : Galα1,3Glcα1,3Fucα1,2Galβ1,3GlcNAcα1– GalT : galactosyl transferase GT : glycosyltransferase Hyp : ( 2S , 4R )-4-hydroxy-l-proline mAb : monoclonal antibody P4H : prolyl 4-hydroxylase pAb : polyclonal antibody pNP : para-nitrophenol Pu : Pythium ultimum RHΔΔ : RHΔ ku80 Δ hxgprt SCF : Skp1/Cullin-1/F-box protein subcomplex of E3 Cullin-RING-1 ubiquitin ligases Tg : Toxoplasma gondii Ub : ubiquitin