Mémoire

The treatment of Plasmodium falciparum-infected erythrocytes with chloroquine leads to accumulation of ferriprotoporphyrin IX bound to particular parasite proteins and to the inhibition of the parasite's 6-phosphogluconate dehydrogenase

L'action de la chloroquine sur des érythrocytes infectés par plasmodium falciparumconduit à une accumulation de ferriprotoporphyrine IX liée à des protéines parasitaires et à une inhibition de la 6-phosphogluconate déhydrogénase parasitaire

Department of Biological Chemistry, Institute of Life Sciences, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904, Israel.

^* Correspondence : Hagai Ginsburg. Tel. : +972-2-658-5539 - Fax : +972-2-658-5440. E-mail : hagai@vms.huji.ac.il

Received: 12 September 2002
Accepted: 19 December 2002

Abstract

Ferriprotoporphyrin IX (FPIX) is a potentially toxic product of hemoglobin digestion by intra-erythrocytic malaria parasites. It is detoxified by biomineralization or through degradation by glutathione. Both processes are inhibited by the antimalarial drug chloroquine, leading to the accumulation of FPIX in the membranes of the infected cell and their consequent permeabilization. It is shown here that treatment of Plasmodium falciparum-infected erythrocytes with chloroquine also leads to the binding of FPIX to a subset of parasite proteins. Parasite enzymes such as aldolase, pyrimidine nucleoside monophosphate kinase and pyrimidine 5'- nucleotidase were inhibited by FPIX in vitro, but only the activity of 6-phosphogluconate dehydrogenase was reduced significantly in cells after drug treatment. Additional proteins were extracted from parasite cytosol by their ability to bind FPIX. Sequencing of these proteins identified heat shock proteins 90 and 70, enolase, elongation factor 1-α, phoshoglycerate kinase, glyceraldehyde 3- phosphate dehydrogenase, L-lactate dehydrogenase and gametocytogenesis onset-specific protein. The possible involvement of these proteins in the antimalarial mode of action of chloroquine is discussed. It is concluded that drug-induced binding of FPIX to parasite glycolytic enzymes could underlie the demonstrable inhibition of glycolysis by chloroquine. The inhibition of 6- phosphogluconate dehydrogenase could explain the reduction of the activity of the hexose monophosphate shunt by the drug. Inhibition of both processes is deleterious to parasite survival. Binding of FPIX to other proteins is probably inconsequential to the rapid killing of the parasite by chloroquine.

Résumé

La ferriprotoporphyrine IX (FPIX) est un produit potentiellement toxique issue de la digestion de l'hémoglobine par les parasites intraérythrocytaires de la malaria. FPIX est détoxifié par biominéralisation ou par dégradation par le glutathion. Les deux processus sont inhibés par la drogue antipaludique, la chloroquine, menant à l'accumulation de FPIX dans les membranes de la cellule infectée et par conséquent à sa perméabilisation. Nous montrons dans ce travail que le traitement d'érythrocytes infectés par Plasmodium falciparum mène aussi à la liaison de FPIX à une sous-population de protéines parasitaires. Des enzymes parasitaires telles que l'aldolase, la pyrimidine nucléoside monophosphate kinase ou la pyrimidine 5'-nucléotidase sont inhibées par FPIX in vitro. Cependant, seule l'activité de & phosphogluconate déhydrogénase est réduite d'une manière significative dans les cellules traitées. D'autres protéines du cytosole parasitaire présentent de l'affinité pour FPIX. Le séquençage de ces protéines a permis d'identifier les protéines heat shock 70 et 90, l'énolase, le facteur délongation l-α, la phosphoglycérate kinase, la glycérladhéyde 3-phosphate déhydrogénase, la L-lactate déhydrogénase et la protéine specifique de la mise en place (onset specific) de la gamétocytogenèse. L'implication possible de ces protéines dans le mode d'action anlipaludique de la chloroquine est discuté. Nous concluons que la liaison - induite par la drogue - de FPIX aux enzymes glycolytiques du parasite pourraient être responsable de l'inhibition démontrable de la glycolyse par chloroquine. L'inhibition de la 6-phosphogluconate déhydrogénase pourrait expliquer la réduction de l'activité de la voie de l'hexose monophosphate par la drogue. L'inhibition des deux processus est pernicieuse à la survie du parasite. La liaison de FPIX à d'autres protéines n'a probablement pas de conséquences concernant la mort rapide du parasite provoquée par chloroquine.