The life cycles of many parasites involve transitions between disparate host species, requiring these parasites to go through multiple developmental stages adapted to each of these specialized niches. Transmission of malaria parasites (Plasmodium spp.) from humans to the mosquito vector requires differentiation from asexual stages replicating within red blood cells into non-dividing male and female gametocytes. Although gametocytes were first described in 1880, our understanding of the molecular mechanisms involved in commitment to gametocyte formation is extremely limited, and disrupting this critical developmental transition remains a long-standing goal. Here we show that expression levels of the DNA-binding protein PfAP2-G correlate strongly with levels of gametocyte formation. Using independent forward and reverse genetics approaches, we demonstrate that PfAP2-G function is essential for parasite sexual differentiation. By combining genome-wide PfAP2-G cognate motif occurrence with global transcriptional changes resulting from PfAP2-G ablation, we identify early gametocyte genes as probable targets of PfAP2-G and show that their regulation by PfAP2-G is critical for their wild-type level expression. In the asexual blood-stage parasites pfap2-g appears to be among a set of epigenetically silenced loci prone to spontaneous activation. Stochastic activation presents a simple mechanism for a low baseline of gametocyte production. Overall, these findings identify PfAP2-G as a master regulator of sexual-stage development in malaria parasites and mark the first discovery of a transcriptional switch controlling a differentiation decision in protozoan parasites.

Malaria parasites must produce gametocytes for transmission to the mosquito vector, although the molecular mechanisms underlying commitment to gametocyte production remain unclear; here this process is found to be controlled by PbAP2-G, a member of the ApiAP2 family of DNA-binding proteins, in the rodent-infecting Plasmodium berghei parasite. For malaria parasites to be transmitted to the mosquito vector they must undergo sexual development and produce gametocytes. The molecular mechanisms underlying the commitment to gametocyte development have been unclear. Two complementary manuscripts now show that AP2-G, a member of the apicomplexan AP2 family of transcription factors, is a master regulator of sexual development in the malaria parasite, acting as a developmental switch by triggering the transcription of early gametocyte genes. Abhinav Sinha et al. worked with the rodent malaria parasite Plasmodium berghei, and Björn Kafsack et al. with the human pathogen P. falciparum. AP2-G activity in human infectious malaria parasites could be a potential target for antimalarials designed to interfere with gametocyte formation. Commitment to and completion of sexual development are essential for malaria parasites (protists of the genus Plasmodium) to be transmitted through mosquitoes1. The molecular mechanism(s) responsible for commitment have been hitherto unknown. Here we show that PbAP2-G, a conserved member of the apicomplexan AP2 (ApiAP2) family of DNA-binding proteins, is essential for the commitment of asexually replicating forms to sexual development in Plasmodium berghei, a malaria parasite of rodents. PbAP2-G was identified from mutations in its encoding gene, PBANKA_143750, which account for the loss of sexual development frequently observed in parasites transmitted artificially by blood passage. Systematic gene deletion of conserved ApiAP2 genes in Plasmodium confirmed the role of PbAP2-G and revealed a second ApiAP2 member (PBANKA_103430, here termed PbAP2-G2) that significantly modulates but does not abolish gametocytogenesis, indicating that a cascade of ApiAP2 proteins are involved in commitment to the production and maturation of gametocytes. The data suggest a mechanism of commitment to gametocytogenesis in Plasmodium consistent with a positive feedback loop involving PbAP2-G that could be exploited to prevent the transmission of this pernicious parasite.

Perforin-like proteins are expressed by many bacterial and protozoan pathogens, yet little is known about their function or mode of action. Here, we describe Toxoplasma perforin-like protein 1 (TgPLP1), a secreted perforin-like protein of the intracellular protozoan pathogen Toxoplasma gondii that displays structural features necessary for pore formation. After intracellular growth, TgPLP1-deficient parasites failed to exit normally, resulting in entrapment within host cells. We show that this defect is due to an inability to rapidly permeabilize the parasitophorous vacuole membrane and host plasma membrane during exit. TgPLP1 ablation had little effect on growth in culture but resulted in a reduction greater than five orders of magnitude of acute virulence in mice. Perforin-like proteins from other intracellular pathogens may play a similar role in microbial egress and virulence.

For Plasmodium falciparum, the most widespread and virulent human malaria parasite, persistence depends on continuous asexual replication in red blood cells, while transmission requires their differentiation into non-replicating gametocytes that can infect the mosquito vector. This decision is controlled by stochastic derepression of a heterochromatin-silenced locus encoding PfAP2-G, the master transcription factor of sexual differentiation. The frequency of pfap2-g derepression was shown to be responsive to extracellular phospholipid precursors but the mechanism linking these metabolites to epigenetic regulation of pfap2-g was unknown. Here we show that this response is mediated by metabolic competition for S-adenosylmethionine between histone methyltransferases and phosphoethanolamine methyltransferase, a critical enzyme in the parasite's pathway for de novo phosphatidylcholine synthesis. When phosphatidylcholine precursors are scarce, increased consumption of SAM for de novo phosphatidylcholine synthesis impairs maintenance of the histone methylation responsible for silencing pfap2-g, increasing the frequency of derepression and sexual differentiation.

ABSTRACT Transmission of Plasmodium falciparum and other malaria parasites requires their differentiation from asexual blood stages into gametocytes, the non-replicative sexual stage necessary for transmission to the mosquito vector. This transition involves changes in gene expression and chromatin reorganization that result in the activation and silencing of stage-specific genes. However, the genomes of malaria parasites have been noted for their dearth of transcriptional and chromatin regulators and the molecular mediators of these changes remain largely unknown. We recently identified H omeo D omain P rotein 1 (HDP1) as a DNA-binding protein that enhances the expression of key genes that are critical for early sexual differentiation. The discovery of a homeodomain-like DNA-binding protein marks a new class of transcriptional regulator in malaria parasites outside of the better-characterized ApiAP2 family. In this study, we show that HDP1 facilitates the necessary upregulation of inner membrane complex components during early gametocytogenesis that gives P. falciparum gametocytes they characteristic shape and is required for gametocyte maturation and parasite transmission.

ABSTRACT Recent advances in curbing the deadly toll of malaria have been threatened by the emergence of parasites resistant to the front-line antimalarial artemisinin. Resistance is mediated by point-mutations in the parasite protein Kelch13, but the mechanism of resistance is multi-factorial and only partially understood. Resistance-conferring Kelch13 mutations have been shown to lead to low-level activation of the parasite’s integrated stress response (ISR) which has a protective effect against artemisinin through an unclear mechanism. Furthermore, only a subpopulation of resistant parasites ever survives drug exposure, implying an underlying heterogeneity. By applying scRNAseq to the resistance-relevant early ring stage, we found expansion of a subpopulation in Kelch13 mutant parasites that is chiefly characterized by transcription of the putative positive translational regulator D123, while we conversely observed reduced D123 protein levels at the same stage. Analogous inverse changes in D123 expression are produced by experimental activation of the ISR, and genetically manipulating D123 expression modulates sensitivity to artemisinin, establishing it as a stress-responsive gene that contributes to artemisinin resistance in Kelch13-mutant malaria parasites.

ABSTRACT Babesiosis in a tick-borne parasitic disease of humans and livestock, that has dramatically increased in frequency and geographical range over the past few decades. Infection of cattle often causes large economic losses, and human infection can be fatal in immunocompromised patients. Unlike for malaria, another disease caused by hemoprotozoan parasites, limited treatment options exist for Babesia infections. As epigenetic regulation is a promising target for new anti-parasitic drugs, we screened 324 epigenetic inhibitors against Babesia divergens blood stages and identified 75 (23%) and 17 (5%) compounds that displayed ≥90% inhibition at 10 µM and 1 µM, respectively, including over a dozen compounds with activity in the low nanomolar range. We observed differential activity of some inhibitor classes against Babesia divergens and Plasmodium falciparum parasites and identified pairs of compounds with a high difference in activity, despite a high similarity in chemical structure, highlighting new insights into the development of epigenetic inhibitors as anti-parasitic drugs.

Abstract We recently adapted a CUT&RUN protocol for genome-wide profiling of chromatin modifications in the human malaria parasite Plasmodium . Using the step-by-step protocol described below, we were able to generate high quality profiles of multiple histone modifications using only a small fraction of the cells required for ChIPseq. Using antibodies against two commonly profiled histone modifications, H3K4me3 and H3K9me3, we show here that CUT&RUN profiling is highly reproducible and closely recapitulates previously published ChIPseq-based abundance profiles of histone marks. Finally, we show that CUT&RUN requires substantially lower sequencing coverage for accurate profiling compared to ChIPseq.