Abstract Prenyldiphosphate synthases catalyze the reaction of allylic diphosphates with one or more isopentenyl diphosphate molecules to form compounds such as farnesyl diphosphate, used in e.g. sterol biosynthesis and protein prenylation, as well as longer “polyprenyl” diphosphates, used in ubiquinone and menaquinone biosynthesis. Quinones play an essential role in electron transport and are associated with the inner mitochondrial membrane due to the presence of the polyprenyl group. In this work, we investigated the synthesis of the polyprenyl diphosphate that alkylates the ubiquinone ring precursor in Toxoplasma gondii , an opportunistic pathogen that causes serious disease in immunocompromised patients and the unborn fetus. The enzyme that catalyzes this early step of the ubiquinone synthesis is Coq1 (TgCoq1), and we show that it produces the C35 species, heptaprenyl diphosphate. TgCoq1 localizes to the mitochondrion, and is essential for in vitro T. gondii growth. We demonstrate that the growth defect of a T. gondii TgCoq1 mutant is rescued by complementation with a homologous TgCoq1 gene or with a (C45) solanesyl diphosphate synthase from Trypanosoma cruzi (TcSPPS). We find that a lipophilic bisphosphonate (BPH-1218) inhibits T. gondii growth at low nM concentrations, while overexpression of the TgCoq1 enzyme dramatically reduced growth inhibition by the bisphosphonate. Both the severe growth defect of the mutant and the inhibition by BPH-1218 were rescued by supplementation with a long chain (C30) ubiquinone (UQ 6 ). Importantly, BPH-1218 also protected mice against a lethal T. gondii infection. TgCoq1 thus represents a potential drug target that could be exploited for improved chemotherapy of toxoplasmosis. Importance Millions of people are infected with Toxoplasma gondii and the available treatment for toxoplasmosis is not ideal. Most of the drugs currently used are only effective for the acute infection and treatment can trigger serious side-effects requiring changes in the therapeutic approach. There is, therefore, a compelling need for safe and effective treatments for toxoplasmosis. In this work, we characterize an enzyme of the mitochondrion of T. gondii that can be inhibited by an isoprenoid pathway inhibitor. We present evidence that demonstrate that inhibition of the enzyme is linked to parasite death. In addition, the drug is able to protect mice against a lethal dose of T. gondii . Our results thus reveal a promising chemotherapeutic target for the development of new medicines for toxoplasmosis.

Microbial pathogens use proteases for their infections, such as digestion of proteins for nutrients and activation of their virulence factors. As an obligate intracellular parasite, Toxoplasma gondii must invade host cells to establish its intracellular propagation. To facilitate invasion, the parasites secrete invasion effectors from microneme and rhoptry, two unique organelles in apicomplexans. Previous work has shown that some micronemal invasion effectors experience a series of proteolytic cleavages within the parasite's secretion pathway for maturation, such as the aspartyl protease (TgASP3) and the cathepsin L-like protease (TgCPL), localized within the post-Golgi compartment (1) and the endolysosomal system (2), respectively. Furthermore, it has been shown that the precise maturation of micronemal effectors is critical for Toxoplasma invasion and egress (1). Here, we show that an endosome-like compartment (ELC)-residing cathepsin C-like protease (TgCPC1) mediates the final trimming of some micronemal effectors, and its loss further results in defects in the steps of invasion, egress, and migration throughout the parasite's lytic cycle. Notably, the deletion of TgCPC1 completely blocks the activation of subtilisin-like protease 1 (TgSUB1) in the parasites, which globally impairs the surface-trimming of many key micronemal invasion and egress effectors. Additionally, we found that TgCPC1 was not efficiently inhibited by the chemical inhibitor targeting its malarial ortholog, suggesting that these cathepsin C-like orthologs are structurally different within the apicomplexan phylum. Taken together, our findings identify a novel function of TgCPC1 in the processing of micronemal proteins within the secretory pathway of Toxoplasma parasites and expand the understanding of the roles of cathepsin C protease.Toxoplasma gondii is a microbial pathogen that is well adapted for disseminating infections. It can infect virtually all warm-blooded animals. Approximately one-third of the human population carries toxoplasmosis. During infection, the parasites sequentially secrete protein effectors from the microneme, rhoptry, and dense granule, three organelles exclusively found in apicomplexan parasites, to help establish their lytic cycle. Proteolytic cleavage of these secretory proteins is required for the parasite's optimal function. Previous work has revealed that two proteases residing within the parasite's secretory pathway cleave micronemal and rhoptry proteins, which mediate parasite invasion and egress. Here, we demonstrate that a cathepsin C-like protease (TgCPC1) is involved in processing several invasion and egress effectors. The genetic deletion of TgCPC1 prevented the complete maturation of some effectors in the parasites. Strikingly, the deletion led to a full inactivation of one surface-anchored protease, which globally impaired the trimming of some key micronemal proteins before secretion. Therefore, this finding represents a novel post-translational mechanism for the processing of virulence factors within microbial pathogens.

Toxoplasma gondii , an obligate intracellular parasite, is capable of invading virtually any nucleated cell. Ca2+ signaling is universal and both T. gondii and its mammalian host cell will utilize Ca2+ signaling to stimulate diverse cellular functions. Egress of T. gondii from the host cell is an essential step for the infection cycle of T. gondii and a cytosolic Ca2+ increase initiates the Ca2+ signaling cascade that culminates in stimulation of motility and egress. In this work we demonstrate that intracellular T. gondii is capable of taking up Ca2+ from the host cytoplasm when this concentration is increased during host signaling events. Both intracellular and extracellular Ca2+ sources are important to reach a threshold of cytosolic Ca2+ needed for a successful egress. Two peaks of Ca2+ were observed in single parasites that egressed with the second peak resulting from Ca2+ influx. We patched infected host cells to allow a precise delivery of exact concentrations of Ca2+ for stimulating motility and egress. Using this approach, we found that low potassium concentration modulates but do not trigger host cell egress. This is the first study using whole-cell patches to study the role of ions such as K+ and Ca2+ in T. gondii egress.

ABSTRACT Apicomplexan parasites cause persistent mortality and morbidity worldwide through diseases including malaria, toxoplasmosis, and cryptosporidiosis. Ca 2+ signaling pathways have been repurposed in these eukaryotic pathogens to regulate parasite-specific cellular processes governing the transition between the replicative and lytic phases of the infectious cycle. Despite the presence of conserved Ca 2+ -responsive proteins, little is known about how specific signaling elements interact to impact pathogenesis. We mapped the Ca 2+ -responsive proteome of the model apicomplexan T. gondii via time-resolved phosphoproteomics and thermal proteome profiling. The waves of phosphoregulation following PKG activation and stimulated Ca 2+ release corroborate known physiological changes but identify specific proteins operating in these pathways. Thermal profiling of parasite extracts identified many expected Ca 2+ -responsive proteins, such as parasite Ca 2+ -dependent protein kinases. Our approach also identified numerous Ca 2+ -responsive proteins that are not predicted to bind Ca 2+ , yet are critical components of the parasite signaling network. We characterized protein phosphatase 1 (PP 1 ) as a Ca 2+ -responsive enzyme that relocalized to the parasite apex upon Ca 2+ store release. Conditional depletion of PP 1 revealed that the phosphatase regulates Ca 2+ uptake to promote parasite motility. PP 1 may thus be partly responsible for Ca 2+ -regulated serine/threonine phosphatase activity in apicomplexan parasites.

ABSTRACT Transient Receptor Potential (TRP) channels participate in ion calcium (Ca 2+ ) influx and intracellular Ca 2+ release. TRP channels have not been studied in Toxoplasma gondii or any other Apicomplexan parasite. We characterized a protein predicted to possess a TRP domain (TgTRPPL-2) and determined its role in Ca 2+ signaling in T. gondii , the causative agent of toxoplasmosis. TgTRPPL-2 localized to the plasma membrane and the endoplasmic reticulum of T. gondii . The ΔTgTRPPL-2 mutant was defective in growth and Ca 2+ influx. Heterologous expression of TgTRPPL-2 in HEK-3KO cells allowed its functional characterization. Patching of ER-nuclear membranes demonstrated that TgTRPPL-2 is a non-selective cation channel that conducts Ca 2+ . Pharmacological blockers of TgTRPPL-2 inhibited Ca 2+ influx and parasite growth. This is the first report of an Apicomplexan channel that conducts Ca 2+ and initiates the Ca 2+ signaling cascade that culminates in the stimulation of motility, invasion and egress. TgTRPPL-2 is a potential target for combating toxoplasmosis.

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.