Abstract Elucidating protein kinase signaling pathways is an important but challenging problem in cell biology. Phosphoproteomics has been used to identify many phosphorylation sites, however the spatial context of these sites within the cell is mostly unknown, making it difficult to reconstruct signalling pathways. To address this problem an in vivo proximity capturing workflow was developed, consisting of proximity biotinylation followed by protein cross-linking (XL-BioID). This was applied to protein kinases of the Leishmania kinetochore, leading to the discovery of a novel essential kinetochore protein, KKT26. XL-BioID enabled the quantification of proximal phosphosites at the kinetochore through the cell cycle, allowing the phosphorylation state of the kinetochore to be followed during assembly. A specific inhibitor of kinetochore protein kinases KKT10/KKT19 was used to show that XL-BioID provides a spatially focussed view of protein kinase inhibition, identifying 16 inhibitor-responsive proximal phosphosites, including 3 on KKT2, demonstrating the potential of this approach for discovery of in vivo kinase signalling pathways.

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.

Leishmaniases are a collection of neglected tropical diseases caused by kinetoplastid parasites in the genus Leishmania. Current chemotherapies are severely limited and the need for new antileishmanials is of pressing international importance. Bromodomains are epigenetic reader domains that have shown promising therapeutic potential for cancer therapy and may also present an attractive target to treat parasitic diseases. Here, we investigate Leishmania donovani bromodomain factor 5 (LdBDF5) as a target for antileishmanial drug discovery. LdBDF5 contains pair of bromodomains (BD5.1 and BD5.2) in an N-terminal tandem repeat. We purified recombinant bromodomains of L. donovani BDF5 and determined the structure of BD5.2 by X-ray crystallography. Using a histone peptide microarray and fluorescence polarisation assay, we identified binding interactions of LdBDF5 bromodomains with acetylated peptides derived from histones H2B and H4. In orthogonal biophysical assays including thermal shift assays, fluorescence polarisation and NMR, we showed that BDF5 bromodomains bind to human bromodomain inhibitors SGC-CBP30, bromosporine and I-BRD9, moreover, SGC-CBP30 exhibited activity against Leishmania promastigotes in cell viability assays. These findings exemplify the potential BDF5 holds as a drug target in Leishmania and provide a foundation for the future development of optimised antileishmanial compounds targeting this epigenetic reader protein.

Abstract Toxoplasma gondii has evolved different developmental stages for disseminating during acute infection (i.e. tachyzoites) and for establishing chronic infection (i.e. bradyzoites). Calcium ion (Ca 2+ ) signaling tightly regulates the lytic cycle of tachyzoites by controlling microneme secretion and motility to drive egress and cell invasion. However, the roles of Ca 2+ signaling pathways in bradyzoites remain largely unexplored. Here we show that Ca 2+ responses are highly restricted in bradyzoites and that they fail to egress in response to agonists. Development of dual-reporter parasites revealed dampened calcium responses and minimal microneme secretion by bradyzoites induced in vitro or harvested from infected mice and tested ex vivo. Ratiometric Ca 2+ imaging demonstrated lower Ca 2+ basal levels, reduced magnitude, and slower Ca 2+ kinetics in bradyzoites compared with tachyzoites stimulated with agonists. Diminished responses in bradyzoites were associated with down-regulation of calcium ATPases involved in intracellular Ca 2+ storage in the endoplasmic reticulum (ER) and acidocalcisomes. Once liberated from cysts by trypsin digestion, bradyzoites incubated in glucose plus calcium rapidly restored their intracellular Ca 2+ and ATP stores leading to enhanced gliding. Collectively, our findings indicate that intracellular bradyzoites exhibit dampened Ca 2+ signaling and lower energy levels that restrict egress, and yet upon release they rapidly respond to changes in the environment to regain motility.