An effective vaccine for malaria is urgently needed. Naturally acquired immunity to malaria develops slowly, and induction of protection in humans can be achieved artificially by the inoculation of radiation-attenuated sporozoites by means of more than 1000 infective mosquito bites.

Abstract The malaria parasite Plasmodium falciparum replicates inside erythrocytes in the blood of infected humans. During each replication cycle, a small proportion of parasites commits to sexual development and differentiates into gametocytes, which are essential for parasite transmission to other human hosts via the mosquito vector. Detailed molecular investigation of gametocyte biology and transmission has been hampered by difficulties in generating large numbers of these highly specialized cells. Here, we engineered marker-free P. falciparum inducible gametocyte producer (iGP) lines for the routine mass production of synchronous gametocytes. Through targeted overexpression of the sexual commitment factor GDV1, iGP lines consistently achieve sexual commitment rates of 75% and produce gametocytes that are infectious to mosquitoes. Subsequent tagging of a nucleoporin allowed us to visualize marked nuclear transformations during gametocytogenesis and demonstrates that further genetic engineering of iGP lines is an invaluable tool for the targeted exploration of gametocyte biology. We believe the iGP approach developed here opens up unprecedented opportunities that will expedite future basic and applied research on P. falciparum transmission stages.

Abstract It is currently unknown whether all Plasmodium falciparum infected mosquitoes are equally infectious. We assessed sporogonic development using cultured gametocytes in the Netherlands and naturally circulating strains in Burkina Faso. We quantified the number of sporozoites expelled into artificial skin in relation to intact oocysts, ruptured oocysts, and residual salivary gland sporozoites. Sporozoites were quantified by highly sensitive qPCR; intact and ruptured oocysts by fluorescence microscopy following antibody staining of circumsporozoite protein. In laboratory conditions, higher total sporozoite burden in mosquitoes was associated with a shorter duration of sporogony (p<0.001). Overall, 53% (116/216) of P. falciparum infected An. stephensi mosquitoes expelled sporozoites into artificial skin. The medians of expelled and residual salivary gland sporozoites were 136 (IQR: 34-501) and 23,947 (IQR: 9127-78,380), respectively. There was a strong positive correlation between ruptured oocyst number and salivary gland sporozoite load (ρ=0.8; p<0.0001) and a weaker positive correlation between salivary gland sporozoite load and the number of sporozoites expelled (ρ=0.35; p=0.0002). In Burkina Faso, An. coluzzii mosquitoes were infected by natural gametocyte carriers. Among mosquitoes that were salivary gland sporozoite positive, 89% (33/37) expelled sporozoites with a median of 1035 expelled sporozoites (IQR: 171-2969) and harbored a median of 45,100 residual salivary gland sporozoites (IQR: 20,310-164,900). Again, we observed a strong correlation between ruptured oocyst number and salivary gland sporozoite load (ρ=0.9; p<0.0001) and a positive correlation between salivary gland sporozoite load and the number of sporozoites expelled (ρ=0.7; p<0.0001). Mosquito salivary glands in Burkina Faso harbored 1-3 distinct parasite clones; several mosquitoes expelled multiple parasite clones during probing. Whilst sporozoite expelling was regularly observed from mosquitoes with low infection burdens, our findings indicate that mosquito infection burden is associated with the number of expelled sporozoites. Future work is required to determine the direct implications of these findings for transmission potential.

Abstract The malaria causing parasite, Plasmodium falciparum , replicates through a tightly orchestrated process termed schizogony, where approximately 32 daughter parasites are formed in a single infected red blood cell and thousands of daughter cells in mosquito or liver stages. One-per-cell organelles, such as the mitochondrion and apicoplast, need to be properly divided and segregated to ensure a complete set of organelles per daughter parasites. Although this is highly essential, details about the processes and mechanisms involved remain unknown. We developed a new reporter parasite line that allows visualization of the mitochondrion in blood and mosquito stages. Using high-resolution 3D-imaging, we found that the mitochondrion orients in a cartwheel structure, prior to stepwise, non-geometric division during the last stage of schizogony. Analysis of focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) data confirmed these mitochondrial division stages. Furthermore, these data allowed us to elucidate apicoplast division steps, highlighted its close association with the mitochondrion, and showed putative roles of the centriolar plaques (CPs) in apicoplast segregation. These observations form the foundation for a new detailed mechanistic model of mitochondrial and apicoplast division and segregation during P. falciparum schizogony and pave the way for future studies into the proteins and protein complexes involved in organelle division and segregation.

Abstract Plasmodium falciparum (Pf) is a major cause of malaria. The mosquito-borne parasite asymptomatically infects hepatocytes in the liver. The resulting schizonts undergo massive replication to generate blood-infective merozoites. Liver lobules are zonated: hepatocytes in different zones perform differential metabolic functions. In search for specific host conditions that affect infectability, we studied the Pf parasite liver stage development in relation to the metabolic heterogeneity of fresh human hepatocytes. We show selective preference of different Pf strains for a minority of zone 3 hepatocytes characterized by the particular presence of glutamine synthetase (hGS). Parasite schizont growth is significantly enhanced by hGS uptake early in development, which showcases an import system at this stage of the parasite life-cycle. In conclusion, Pf development is strongly determined by the differential metabolic status in hepatocyte subtypes. These findings underscore the importance of detailed understanding of hepatocyte host- Pf interactions and may delineate novel pathways for intervention strategies.

Plasmodium gametocytes are the sexual forms of the malaria parasite essential for transmission to mosquitoes. To better understand how gametocytes differ from asexual blood-stage parasites, we performed a systematic analysis of available omics data for P. falciparum and other Plasmodium species. 18 transcriptomic and proteomic data sets were evaluated for the presence of curated gold standards of 41 gametocyte-specific versus 46 non-gametocyte genes and integrated using Bayesian probabilities, resulting in gametocyte-specificity scores for all P. falciparum genes. To illustrate the utility of the gametocyte score, we explored newly predicted gametocyte-specific genes as potential biomarkers of gametocyte carriage and exposure. We analyzed the humoral immune response in field samples against 30 novel gametocyte-specific antigens and found five antigens to be differentially recognized by gametocyte carriers as compared to malaria-infected individuals without detectable gametocytes. We also validated the gametocyte-specificity of 15 identified gametocyte transcripts on culture material and samples from naturally infected individuals, resulting in eight transcripts that were >1000-fold higher expressed in gametocytes compared to asexual parasites and whose transcript abundance allowed gametocyte detection in naturally infected individuals. Our integrated genome-wide gametocyte-specificity scores provide a comprehensive resource to identify targets and monitor P. falciparum gametocytemia.

Abstract Malaria is transmitted when Anopheline mosquitoes ingest Plasmodium parasites during blood-feeding. Artificial feeding assays allow mosquitoes to take up blood from membrane feeders, and are widely used to study malaria transmission. These assays require large quantities of mosquitoes; insectaries optimize their rearing procedures to generate high yields of permissive, homogeneous mosquito populations. Rearing of Anopheline stephensi mosquitoes was protocolized at the Radboudumc in the 1980s, yet infection outcomes remain heterogeneous. This study explores possible improvements in mosquito rearing to improve homogeneity of the resulting mosquito populations. It compares the current mass-rearing standard with an adapted alternative approach from another institute that optimizes larval density per tray and applies a diet that has previously been reported. Differences between procedures were assessed by measuring mosquito size by proxy of wing-length and imbibed blood meal volume. To assess receptiveness to P. falciparum infection mosquitoes were fed cultured gametocytes. We observed a slight decrease in mosquito size when applying the alternative rearing procedure, but generated equally parasite-receptive P. falciparum mosquitoes compared to the standard procedure. We conclude that both rearing protocols can be used to generate susceptible mosquitoes for conducting malaria research.