Cell-cell communication is an important mechanism for information exchange promoting cell survival for the control of features such as population density and differentiation. We determined that Plasmodium falciparum-infected red blood cells directly communicate between parasites within a population using exosome-like vesicles that are capable of delivering genes. Importantly, communication via exosome-like vesicles promotes differentiation to sexual forms at a rate that suggests that signaling is involved. Furthermore, we have identified a P. falciparum protein, PfPTP2, that plays a key role in efficient communication. This study reveals a previously unidentified pathway of P. falciparum biology critical for survival in the host and transmission to mosquitoes. This identifies a pathway for the development of agents to block parasite transmission from the human host to the mosquito.

Background The ability of T cells, acting independently of antibodies, to control malaria parasite growth in people has not been defined. If such cell-mediated immunity was shown to be effective, an additional vaccine strategy could be pursued. Our aim was to ascertain whether or not development of cell-mediated immunity to Plasmodium falciparum blood-stage infection could be induced in human beings by exposure to malaria parasites in very low density. Methods We enrolled five volunteers from the staff at our research institute who had never had malaria. We used a cryopreserved inoculum of red cells infected with P falciparum strain 3D7 to give them repeated subclinical infections of malaria that we then cured early with drugs, to induce cell-mediated immune responses. We tested for development of immunity by measurement of parasite concentrations in the blood of volunteers by PCR of the multicopy gene STEVOR and by following up the volunteers clinically, and by measuring antibody and cellular immune responses to the parasite. Findings After challenge and a extended period without drug cure, volunteers were protected against malaria as indicated by absence of parasites or parasite DNA in the blood, and absence of clinical symptoms. Immunity was characterised by absence of detectable antibodies that bind the parasite or infected red cells, but by the presence of a proliferative T-cell response, involving CD4+ and CD8+ T cells, a cytokine response, consisting of interferon γ but not interleukin 4 or interleukin 10, induction of high concentrations of nitric oxide synthase activity in peripheral blood mononuclear cells, and a drop in the number of peripheral natural killer T cells. Interpretation People can be protected against the erythrocytic stage of malaria by a strong cell-mediated immune response, in the absence of detectable parasitespecific antibodies, suggesting an additional strategy for development of a malaria vaccine

Erythrocyte invasion by the merozoite is an obligatory stage in Plasmodium parasite infection and essential to malaria disease progression. Attempts to study this process have been hindered by the poor invasion synchrony of merozoites from the only in vitro culture-adapted human malaria parasite, Plasmodium falciparum. Using fluorescence, three-dimensional structured illumination, and immunoelectron microscopy of filtered merozoites, we analyze cellular and molecular events underlying each discrete step of invasion. Monitoring the dynamics of these events revealed that commitment to the process is mediated through merozoite attachment to the erythrocyte, triggering all subsequent invasion events, which then proceed without obvious checkpoints. Instead, coordination of the invasion process involves formation of the merozoite-erythrocyte tight junction, which acts as a nexus for rhoptry secretion, surface-protein shedding, and actomyosin motor activation. The ability to break down each molecular step allows us to propose a comprehensive model for the molecular basis of parasite invasion.

ABSTRACT Merozoite invasion of host red blood cells (RBCs) is essential for survival of the human malaria parasite Plasmodium falciparum . Proteins involved with RBC binding and invasion are secreted from dual-club shaped organelles at the apical tip of the merozoite called the rhoptries. Here we characterise P. falciparum Cytosolically Exposed Rhoptry Leaflet Interacting protein 2 (PfCERLI2), as a rhoptry bulb protein that is essential for merozoite invasion. Phylogenetic analyses show that cerli2 arose through an ancestral gene duplication of cerli1 , a related cytosolically exposed rhoptry bulb protein. We show that PfCERLI2 is essential for blood-stage growth and localises to the cytosolic face of the rhoptry bulb. Inducible knockdown of PfCERLI2 led to an inhibition of merozoite invasion after tight junction formation. PfCERLI2 knockdown was associated with inhibition of rhoptry antigen processing and a significant elongation of the rhoptries, suggesting that the inability of merozoites to invade is caused by aberrant rhoptry function due to PfCERLI2 deficiency. These findings identify PfCERLI2 as a protein that has key roles in rhoptry biology during merozoite invasion.

Abstract Intracellular pathogens are known to mobilise host signaling pathways to manipulate gene expression in their host cell to promote their own survival. Surprisingly, evidence is emerging that specific signal transduction elements are activated in a-nucleated erythrocytes in response to infection with malaria parasites, but the extent of this phenomenon remains unknown. Here, we fill this knowledge gap by providing a comprehensive and dynamic assessment of host erythrocyte signaling during the course of infection with Plasmodium falciparum . We used an antibody microarray that comprises 878 antibodies directed against human signaling proteins, >600 of which are phospho-specific, to interrogate the status of host erythrocyte signaling pathways at three stages of parasite development during the asexual cycle. This confirmed the pre-existing fragmentary data on the activation of a PAK-MEK pathway, and revealed the modulation of a large number of additional signaling elements during infection. We focussed on the receptor tyrosine kinase c-MET, also known as the hepatocyte growth factor receptor, and the MAP kinase pathway component B-Raf that is reported to lie downstream of c-MET in a number of cell types. Array data validated by Western blotting revealed that activation sites of c-MET are phosphorylated in trophozoite-infected erythrocytes, and we show that treatment of parasite cultures with c-MET or B-Raf selective inhibitors have nanomolar potency against in vitro proliferation of P. falciparum and the phylogenetically distant species P. knowlesi . Furthermore, we demonstrate that a c-MET inhibitor impairs in vivo proliferation of the rodent malaria parasite P. berghei in mice. Overall, we provide a comprehensive dataset on the modulation of host erythrocyte signaling during infection with malaria parasites, as well as a proof of concept that human signaling kinases identified as activated by malaria infection represent attractive targets for antimalarial intervention.

ABSTRACT Mature gametocytes of Plasmodium ( P .) falciparum display a banana (falciform) shape conferred by a complex array of subpellicular microtubules (SPMT) associated to the inner membrane complex (IMC). Microtubule associated proteins (MAPs) define MT populations and modulate interaction to pellicular components. Several MAPs have been identified in Toxoplasma gondii and homologues can be found in the genome of Plasmodium species, but the function of these proteins for asexual and sexual development of malaria parasites is still unknown. Here we identified a novel subpellicular MAP, termed SPM3, that is conserved within the genus Plasmodium ., especially within the Laverania subgenus, but absent in other Apicomplexa. Conditional knockdown and targeted gene disruption of Pfspm3 in P. falciparum cause severe morphological defects during gametocytogenesis leading to round, non-falciform gametocytes with an aberrant SPMT pattern. In contrast, Pbspm3 knockout in P. berghei , a species with round gametocytes, caused no defect in gametocytogenesis, but sporozoites displayed an aberrant motility and a dramatic defect in sporozoite invasion of salivary glands leading to a decreased efficiency in transmission. Electron microscopy revealed a dissociation of the SPMT from the IMC in Pbspm3 knockout parasites suggesting a function of SPM3 in anchoring MTs to the IMC. Overall, our results highlight SPM3 as a pellicular component with essential functions for malaria parasite transmission. IMPORTANCE A key structural feature driving the transition between different life cycle stages of the malaria parasite is the unique three membrane “pellicle”, consisting of the parasite plasma membrane (PPM) and a double membrane structure underlying the PPM termed the “inner membrane complex” (IMC). Additionally, there are numerous linearly arranged intramembranous particles (IMPs) linked to the IMC, which likely link the IMC to the subpellicular microtubule cytoskeleton. Here we identify, localize and characterize a novel subpellicular microtubule associated protein unique to the genus Plasmodium ( P .). The knockout of this protein in the human infecting P. falciparum species result in malformed gametocytes and aberrant microtubules. We confirmed the microtubule association in the P. berghei rodent malaria homologue and show that its knockout results in a perturbated microtubule architecture, aberrant sporozoite motility and decreased transmission efficiency.

Apicomplexan parasites exhibit tremendous diversity in much of their fundamental cell biology, but study of these organisms using light microscopy is often hindered by their small size. Ultrastructural expansion microscopy (U-ExM) is a microscopy preparation method that physically expands the sample ~4.5x. Here, we apply U-ExM to the human malaria parasite Plasmodium falciparum during the asexual blood stage of its lifecycle to understand how this parasite is organized in three-dimensions. Using a combination of dye-conjugated reagents and immunostaining, we have catalogued 13 different P. falciparum structures or organelles across the intraerythrocytic development of this parasite and made multiple observations about fundamental parasite cell biology. We describe that the microtubule organizing center (MTOC) and its associated proteins anchor the nucleus to the parasite plasma membrane during mitosis. Furthermore, the rhoptries, Golgi, basal complex, and inner membrane complex, which form around this anchoring site while nuclei are still dividing, are concurrently segregated and maintain an association to the MTOC until the start of segmentation. We also show that the mitochondrion and apicoplast undergo sequential fission events while maintaining an MTOC association during cytokinesis. Collectively, this study represents the most detailed ultrastructural analysis of P. falciparum during its intraerythrocytic development to date, and sheds light on multiple poorly understood aspects of its organelle biogenesis and fundamental cell biology.

Abstract With emerging resistance to frontline treatments, it is vital that new antimalarial drugs are identified to target Plasmodium falciparum . We have recently described a compound, MMV020291, as a specific inhibitor of red blood cell invasion, and have generated analogues with improved potency. Here, we identify actin and profilin as putative targets of the MMV020291 series through resistance selection and whole genome sequencing of three MMV020291 resistant populations. This revealed three non-synonymous single nucleotide polymorphisms in two genes; two in profilin (N154Y, K124N) and a third one in actin-1 (M356L). Using CRISPR-Cas9, we engineered these mutations into wildtype parasites which rendered them resistant to MMV020291. We demonstrate that MMV020291 reduces actin polymerisation that is required by the merozoite stage parasites to invade red blood cells. Additionally, the series inhibits the actin-1 dependent process of apicoplast segregation, leading to a delayed death phenotype. In vitro co-sedimentation experiments using recombinant P. falciparum actin-1 and profilin proteins indicate that potent MMV020291 analogues amplify the actin-monomer sequestering effect of profilin, thereby reducing the formation of filamentous actin. Altogether, this study identifies the first compound series targeting the actin-1/profilin interaction in P. falciparum and paves the way for future antimalarial development against the highly dynamic process of actin polymerisation.

Proteins of the lipocalin family are known to bind small hydrophobic ligands and are involved in various physiological processes ranging from lipid transport to oxidative stress responses. The genome of the malaria parasite Plasmodium falciparum contains a single protein PF3D7_0925900 with a lipocalin signature. Using crystallography and small-angle X-ray scattering, we show that the protein has a tetrameric structure of typical lipocalin monomers, hence we name it P. falciparum lipocalin ( Pf LCN), the first lipocalin structurally and functionally characterized in a single-celled eukaryote. We show that Pf LCN is expressed in the intraerythrocytic stages of the parasite and localizes to the parasitophorous and food vacuoles. Conditional knockdown of Pf LCN impairs parasite development, which can be rescued by treatment with the radical scavenger Trolox or by temporal inhibition of hemoglobin digestion. This suggests a key function of Pf LCN in counteracting oxidative stress induced cell damage during multiplication of parasites within red blood cells.

Abstract Membrane transport proteins perform crucial roles in cell physiology. The obligate intracellular parasite Plasmodium falciparum , an agent of human malaria, relies on membrane transport proteins for the uptake of nutrients from the host, disposal of metabolic waste, exchange of metabolites between organelles and generation and maintenance of transmembrane electrochemical gradients for its growth and replication within human erythrocytes. Despite their importance for Plasmodium cellular physiology, the functional roles of a number of membrane transport proteins remain unclear, which is particularly true for orphan membrane transporters that have no or limited sequence homology to transporter proteins in other evolutionary lineages. Therefore, in the current study, we applied endogenous tagging, targeted gene disruption, conditional knockdown and knockout approaches to investigate the subcellular localization and essentiality of six membrane transporters during intraerythrocytic development of P. falciparum parasites. They are localized at different subcellular structures – the food vacuole, the apicoplast, and the parasite plasma membrane – and four out of the six membrane transporters are essential during asexual development. Additionally, the plasma membrane resident transporter 1 (PMRT1, PF3D7_1135300), a unique Plasmodium -specific plasma membrane transporter, was shown to be essential for gametocytogenesis and functionally conserved within the genus Plasmodium . Overall, we reveal the importance of four orphan transporters to blood stage P. falciparum development, which have diverse intracellular localizations and putative functions. Importance Plasmodium falciparum -infected erythrocytes possess multiple compartments with designated membranes. Transporter proteins embedded in these membranes do not only facilitate movement of nutrients, metabolites and other molecules between these compartments, but are common therapeutic targets and can also confer antimalarial drug resistance. Orphan membrane transporter in P. falciparum without sequence homology to transporters in other evolutionary lineages and divergent to host transporters may constitute attractive targets for novel intervention approaches. Here, we localized six of these putative transporters at different subcellular compartments and probed into their importance during asexual parasite growth using reverse genetic approaches. In total, only two candidates turned out to be dispensable for the parasite, highlighting four candidates as putative targets for therapeutic interventions. This study reveals the importance of several orphan transporters to blood stage P. falciparum development.