Au sein du phylum des Apicomplexes se trouvent de nombreux pathogènes capables d’infecter aussi bien l’homme que les animaux. Parmi les plus connus, nous pouvons citer Plasmodium, responsable du paludisme (ou malaria) et d’environ un million de morts par an, ou encore le toxoplasme (Toxoplasma gondii), responsable de la toxoplasmose. Cette dernière infection parasitaire est très répandue, un quart de la population mondiale étant infecté de façon chronique. Bien qu’elle soit bénigne et le plus souvent asymptomatique chez les personnes immunocompétentes, la toxoplasmose peut se révéler dangereuse voire fatale en cas d’immunosuppression acquise lors d’une infection virale (Sida, syndrome d’immunodéficience acquise) ou lors de traitements pour un cancer (chimiothérapies) ou une transplantation d’organes (immunosuppresseurs). De plus, la toxoplasmose congénitale (primo-infection chez la femme enceinte), responsable chez le fœtus d’atteintes cérébrales et oculaires importantes, reste encore aujourd’hui une infection sérieuse. Chez les animaux sévissent principalement deux Apicomplexes, avec des conséquences vétérinaires, mais aussi économiques importantes : Eimeria, qui affecte l’industrie de la volaille, et Theileria, qui a des conséquences dévastatrices chez les bovins dans les pays tropicaux et subtropicaux [ 1].

Les Apicomplexes sont des parasites intracellulaires obligatoires pour lesquels l’entrée dans la cellule hôte est une étape cruciale puisqu’elle va conditionner leur survie. Bien qu’ils aient des cycles de vie complexes et divers alternant entre différents stades et différents hôtes, ces parasites ont en commun d’envahir de façon active leurs cellules cibles en générant eux-mêmes la force motrice nécessaire à leur internalisation. Ils accomplissent cette tâche grâce à un complexe moléculaire appelé glidéosome situé sous leur membrane plasmique et comprenant un moteur de type myosine, dépendant de l’actine, à l’origine de leur mouvement de glissement [ 2]. Cette machinerie permet au parasite, non seulement d’envahir la cellule hôte, mais aussi d’en ressortir activement après s’y être multiplié. Elle permet aussi au parasite de franchir des barrières biologiques non permissives afin de se disséminer dans les tissus et organes de l’hôte.

Au sein des Apicomplexes, le toxoplasme, et dans une moindre mesure Plasmodium, sont les parasites les plus accessibles génétiquement et expérimentalement, et sont par conséquent les deux organismes les plus étudiés en termes de motilité et d’invasion. Cette revue sera donc centrée sur ces deux parasites et décrira comment la motilité des Apicomplexes leur donne accès à une niche intracellulaire et les prépare à la phase de réplication.

Le cycle lytique du toxoplasme (Figure 1A) et de Plasmodium (cycle intraérythrocytaire) dure environ 48 h. L’étape d’invasion est très rapide. En quelques dizaines de secondes seulement, le parasite s’attache à sa cellule cible par des antigènes de surface, se réoriente de façon à présenter son pôle apical face à la surface de la cellule, et enfin pénètre activement dans celle-ci [ 3]. Au fur et à mesure de son entrée, le parasite induit la formation d’un nouveau compartiment intracellulaire appelé vacuole parasitophore (VP), dans laquelle il va pouvoir se diviser à l’abri du système immunitaire protégé de la fusion avec les endosomes et lysosomes de la cellule hôte [ 4]. Cette vacuole est délimitée par une membrane provenant, d’une part de l’invagination de la membrane plasmique de l’hôte et, d’autre part, de la sécrétion active de matériel membranaire parasitaire. Après leur multiplication - par endodyogénie¹ pour le toxoplasme et par schizogonie pour Plasmodium [ 5] -, plusieurs dizaines de parasites vont sortir de la cellule hôte en provoquant sa lyse et se propager dans les cellules voisines, contribuant ainsi à la dissémination de l’infection.

Figure 1. Le cycle lytique des Apicomplexes. A. Cycle lytique du toxoplasme. Ce cycle peut être décomposé en plusieurs étapes : l’attachement du parasite à la surface de la cellule cible (1), sa réorientation (2), son entrée dans la cellule hôte à travers la jonction mobile (3) et la création de la vacuole parasitophore (VP) au sein de laquelle le parasite va se multiplier (4) avant de lyser la membrane de la vacuole puis celle de la cellule (5). Les parasites libérés sont alors capables d’envahir les cellules adjacentes. B. Représentation schématique de l’ultrastructure d’un tachyzoïte de Toxoplasma gondii.

Figure 1. Le cycle lytique des Apicomplexes. A. Cycle lytique du toxoplasme. Ce cycle peut être décomposé en plusieurs étapes : l’attachement du parasite à la surface de la cellule cible (1), sa réorientation (2), son entrée dans la cellule hôte à travers la jonction mobile (3) et la création de la vacuole parasitophore (VP) au sein de laquelle le parasite va se multiplier (4) avant de lyser la membrane de la vacuole puis celle de la cellule (5). Les parasites libérés sont alors capables d’envahir les cellules adjacentes. B. Représentation schématique de l’ultrastructure d’un tachyzoïte de Toxoplasma gondii.

Chez l’homme, le stade invasif du toxoplasme (tachyzoïte) est capable d’envahir pratiquement tous les types de cellules nucléées, y compris les cellules dendritiques et les macrophages, alors que le sporozoïte et le mérozoïte de Plasmodium infectent, respectivement, les hépatocytes et les globules rouges.

Le cycle lytique du toxoplasme a lieu lors de la primo-infection et constitue la phase aiguë qui est le plus souvent asymptomatique. Rapidement, une réponse spécifique du système immunitaire de l’hôte se développe, induisant la différenciation du parasite en une forme latente enkystée (bradyzoïte) qui persiste durant toute la vie de l’hôte, marquant ainsi la phase chronique et asymptomatique de l’infection toxoplasmique.

Chez Plasmodium, le cycle lytique a lieu d’abord au niveau des cellules hépatiques où il dure sept jours, puis dans les globules rouges dans lesquels le parasite établit un cycle intra-érythrocytaire durant 48 h. Au cours de ce cycle, le parasite modifie la surface de l’érythrocyte pour le rendre capable d’adhérer aux cellules endothéliales vasculaires, ce qui peut perturber le flux sanguin, en particulier dans les capillaires du cerveau, et entraîner des complications comme le paludisme cérébral [ 6].

Que ce soit pour le toxoplasme ou pour Plasmodium, l’étape d’entrée dans la cellule hôte est fortement dépendante de la motilité du parasite et, par conséquent, déterminante pour la survie du parasite et l’établissement de l’infection. Dans le cas de Plasmodium, cette revue ne traitera que du cycle intra-érythrocytaire.

Deux caractéristiques structurales spécifiques des Apicomplexes sont intimement liées à la motilité et à l’invasion. La première est la pellicule qui délimite ces parasites et qui est composée de trois membranes (Figure 1B). Outre la membrane plasmique externe classique, la pellicule comprend un complexe membranaire interne constitué de vésicules aplaties [ 7]. C’est dans l’espace entre la membrane plasmique et la membrane externe de ce complexe membranaire interne que se trouve le complexe moléculaire qui permet au parasite de se déplacer. De plus, le complexe membranaire interne est relié sur sa face interne aux microtubules du cytosquelette qui permet au parasite de garder une certaine rigidité nécessaire au cours du processus d’invasion (Figure 1B).

La seconde caractéristique structurale des Apicomplexes est la présence d’un complexe apical qui comprend des organites de sécrétion intervenant séquentiellement au cours de l’invasion : les micronèmes, puis les rhoptries (Figure 1B). Les micronèmes sécrètent leur contenu (protéines MIC) en réponse à une augmentation de la concentration cytosolique en calcium du parasite. Ces adhésines vont s’insérer dans la membrane plasmique du parasite et interagir à la fois avec les récepteurs de l’hôte et avec le glidéosome afin de permettre vraisemblablement la réorientation et la motilité du parasite. Durant le processus d’invasion, les rhoptries libèrent des protéines du col (rhoptries neck proteins ou RON) et du bulbe (protéines ROP). Les RON forment un complexe impliqué dans la formation d’une jonction mobile au point de contact des membranes plasmiques du parasite et de la cellule hôte au travers de laquelle le parasite pénètre dans la cellule [3] (Figures 1A et 4).

Au cours de l’invasion, le parasite pénètre au travers d’une jonction mobile formée au niveau de l’apposition des membranes plasmiques du parasite et de la cellule hôte. Cette jonction sert d’ancrage lors de l’invasion et progresse vers l’arrière du parasite au fur et mesure de sa pénétration dans la cellule (Figure 3). Il y a plus de 30 ans que cette structure a été observée par microscopie électronique en suivant l’entrée de mérozoïtes de P. knowlesi dans les globules rouges [ 35], mais les détails moléculaires n’ont commencé à émerger que récemment et se sont révélés en grande partie conservés chez les Apicomplexes. La jonction mobile est constituée de quatre protéines d’origine parasitaire : l’antigène de membrane apical AMA1, sécrété par les micronèmes, et trois protéines sécrétées par le col des rhoptries RON2, RON4 et RON5 [ 36, 37] (Figure 4).

Figure 4. Réorientation du parasite et formation de la jonction mobile. Représentation schématique des premières étapes de l’invasion. La sécrétion des protéines des micronèmes (MIC, AMA1) est induite par un signal dépendant du calcium intracellaire. Les adhésines sécrétées au pôle apical du parasite s’insèrent dans sa membrane plasmique et induisent probablement la réorientation du parasite grâce à leur gradient de concentration. La sécrétion des rhoptries libère d’abord le contenu du col (RON), puis le contenu de la partie postérieure (ROP). RON2, RON4 et RON5 s’associent alors avec AMA1 pour former la jonction mobile, tandis que les protéines ROP se trouvent associées avec la vacuole parasitophore, et même au-delà. La figure est adaptée de [36, 39].

Figure 4. Réorientation du parasite et formation de la jonction mobile. Représentation schématique des premières étapes de l’invasion. La sécrétion des protéines des micronèmes (MIC, AMA1) est induite par un signal dépendant du calcium intracellaire. Les adhésines sécrétées au pôle apical du parasite s’insèrent dans sa membrane plasmique et induisent probablement la réorientation du parasite grâce à leur gradient de concentration. La sécrétion des rhoptries libère d’abord le contenu du col (RON), puis le contenu de la partie postérieure (ROP). RON2, RON4 et RON5 s’associent alors avec AMA1 pour former la jonction mobile, tandis que les protéines ROP se trouvent associées avec la vacuole parasitophore, et même au-delà. La figure est adaptée de [36, 39].

Une fois sécrétée, AMA1 reste insérée dans la membrane plasmique du parasite et migre au niveau de la jonction mobile durant l’invasion. Cette protéine apparaît comme un anneau à l’intérieur du cercle formé par RON4 lors de l’invasion de mérozoïtes de P. falciparum [ 38]. Les trois protéines RON sont, elles, localisées au-delà de la membrane plasmique de la cellule hôte où elles pourraient interagir avec le cytosquelette cellulaire [39]. RON2 est insérée dans la membrane plasmique de la cellule hôte et interagit avec AMA1 à la surface du parasite [39] (Figure 4). Chez le toxoplasme, la délétion conditionnelle d’AMA1 a pu être obtenue et entraîne une réduction drastique de l’invasion (10 % d’invasion résiduelle) - indiquant le rôle critique d’AMA1 dans le processus d’invasion -, alors que la motilité de ces parasites n’est pas affectée [ 40]. Chez Plasmodium, il semble qu’AMA1 soit importante pour l’invasion des érythrocytes par les mérozoïtes, mais pas pour l’invasion des hépatocytes par le sporozoïte. En revanche, RON4 paraît essentielle pour l’invasion par les mérozoïtes et les sporozoïtes [ 41].

La protéine AMA1 est au centre de nombreuses études à l’heure actuelle, car elle constitue une cible thérapeutique de choix. Des anticorps dirigés contre elle sont capables d’inhiber l’invasion des globules rouges par P. falciparum en empêchant directement l’interaction AMA1-RON2. De même, des peptides correspondants aux séquences de TgRON2 et PfRON2 impliquées dans le site de liaison à AMA1 sont capables de bloquer l’invasion du toxoplasme et de Plasmodium [ 42]. La résolution de la structure tridimensionnelle de TgAMA1 complexée avec un fragment de TgRON2, puis la modélisation de la même interaction chez P. falciparum, ont permis de mettre en évidence que le mécanisme de reconnaissance est très conservé [ 43], ce qui ouvre des perspectives thérapeutiques pour la synthèse de composés bloquant spécifiquement cette interaction au sein du phylum.

Le calcium est un élément crucial de nombreuses fonctions cellulaires et, chez les Apicomplexes, c’est un messager secondaire important dans les voies de signalisation impliquées dans la sécrétion des micronèmes, la motilité et l’invasion [ 44]. Plusieurs protéines kinases dépendantes du calcium (calcium-dependent protein kinase, CDPK) sont présentes dans le génome des Apicomplexes alors qu’elles sont trouvées spécifiquement chez les plantes. La protéine TgCDPK1, qui est conservée au sein du phylum (CDPK4 chez Plasmodium), joue un rôle clé dans l’exocytose des micronèmes [ 45]. Quand l’expression de TgCDPK1 est abolie de façon conditionnelle, la sécrétion du contenu des micronèmes est bloquée, illustrant le rôle de TgCDPK1 dans la transduction du signal aboutissant à la décharge des micronèmes.

Finalement, au cours du processus d’invasion, les complexes adhésines-récepteurs ont besoin d’être désengagés pour permettre le développement libre du parasite dans la vacuole parasitophore. Ce processus est assuré par TgROM4, une protéase de type rhomboïde capable de cliver les domaines transmembranaires de TgMIC2, TgAMA1 et TgMIC3. Une diminution de l’expression de TgROM4 entraîne un défaut de motilité et de réorientation des parasites qui ne forment plus de jonction mobile [28].

De façon surprenante, la surexpression d’un mutant non fonctionnel de TgROM4 a montré un effet dominant-négatif chez le parasite avec un défaut de division cellulaire, alors que le processus d’invasion reste normal [ 46]. De plus, ce défaut de croissance a pu être compensé en complémentant le parasite avec le produit de clivage de TgAMA1, mais pas avec celui de TgMIC2. Cela suggère que ROM4 est à la base d’une cascade de signalisation durant l’invasion, et ultérieurement à l’intérieur de la vacuole, conduisant à la réplication du parasite (détaillé dans [ 47]). Chez Plasmodium, PfROM4 clive PfEBA-175 (Plasmodium erythrocyte binding antigen 175), un important récepteur qui lie la glycophorine A à la surface du globule rouge pendant l’invasion [ 48]. Quand ce clivage est inhibé, le cycle intraérythrocytaire du parasite est également altéré, mais il est difficile de déterminer si cela est dû à l’étape d’invasion ou à celle de division [48].

Pour assurer leur survie, les Apicomplexes ont développé un mode de locomotion et d’invasion très sophistiqué en se propulsant eux-mêmes dans leur cellule cible, tout en créant un compartiment dans lequel ils vont pouvoir se répliquer en sécurité avant de se disséminer. Bien que cette motilité, à la base de leur processus d’invasion, ait pu être observée depuis des décennies, les détails moléculaires n’ont commencé à émerger que depuis une dizaine d’années et plusieurs questions demeurent. La plupart des acteurs ayant été identifiés chez le parasite, il reste à comprendre comment ces complexes moléculaires se mettent en place de façon aussi précise dans le temps sachant que leurs composants viennent de différents organites, comment leur assemblage et désassemblage sont régulés, mais aussi quelles cibles en aval de RON4 permettent d’enclencher le mode réplicatif.

Une autre voie d’exploration particulièrement intéressante est celle de la contribution de la cellule hôte, et notamment de sa modification par le parasite pendant l’invasion. À la lumière de nouvelles études, la cellule hôte ne paraît pas aussi passive que ce que l’on pensait. L’entrée du parasite induit la formation de filaments d’actine via le rôle de Arp2/3 de la cellule hôte autour de la jonction mobile [ 49], ce qui pourrait permettre un ancrage très fort de celle-ci. L’hypothèse actuelle est donc que les protéines RON2, RON4 et RON5 sécrétées par les rhoptries et retrouvées sous la membrane plasmique de la cellule hôte, pourraient interagir avec le cytosquelette d’actine corticale et permettre la progression du parasite. L’identification de ces interactions permettrait de compléter la vision encore fragmentaire que nous avons à l’heure actuelle sur le processus d’invasion, un phénomène difficile à capturer et à étudier puisqu’il ne dure que quelques dizaines de secondes.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Les auteurs remercient Damien Jacot pour sa lecture critique du manuscrit et le Fonds national suisse de la recherche pour son soutien (FN3100A0-116722).