Abstract Plasmodium malaria parasites are obligate intracellular protozoans that use a unique form of locomotion, termed gliding motility, to move through host tissues and invade cells. The process is substrate-dependent and powered by an actomyosin motor that drives the posterior translocation of extracellular adhesins which in turn propel the parasite forward. Gliding motility is essential for tissue translocation in the sporozoite and ookinete stages; however, the short-lived erythrocyte-invading merozoite stage has never been observed to undergo gliding movement. Here we show Plasmodium merozoites possess the ability to undergo gliding motility and that this mechanism is likely an important precursor step for successful parasite invasion. We demonstrate that two human infective species, P. falciparum and P. knowlesi , have distinct merozoite motility profiles which may reflect distinct invasion strategies. Additionally, we develop and validate a higher throughput assay to evaluate the effects of genetic and pharmacological perturbations on both the molecular motor and complex signaling cascade that regulates motility in merozoites. The discovery of merozoite motility provides a new model to study the glideosome and may facilitate the pursuit of new targets for malaria treatment. Significance statement Plasmodium malaria parasites use a unique substrate-dependent locomotion termed gliding motility to translocate through tissues and invade cells. Dogma has suggested that the small labile invasive stages that invade erythrocytes, merozoites, use this motility solely to penetrate target erythrocytes. Here we reveal that merozoites use gliding motility for translocation across host cells prior to invasion. This forms an important pre-invasion step that is powered by a conserved actomyosin motor and is regulated by a complex signaling pathway. This work fundamentally changes our understanding of the role of gliding motility and invasion in the blood and will have a significant impact on our understanding of blood stage host-pathogen interactions, parasite biology, and could have implications for vaccine development.

The symptoms of malaria occur during the blood stage of infection, when parasites invade and replicate within human erythrocytes. The five-component PfPCRCR complex, containing PfRH5, PfCyRPA, PfRIPR, PfCSS and PfPTRAMP, is essential for erythrocyte invasion by the deadliest human malaria parasite, Plasmodium falciparum. Invasion can be prevented by antibodies or nanobodies against each of these five conserved proteins, making them the leading blood stage malaria vaccine candidates. However, little is known about the molecular mechanism by which PfPCRCR functions during invasion. Here we present the structure of the PfRCR complex, containing PfRH5, PfCyRPA and PfRIPR, determined by cryogenic-electron microscopy. This reveals that PfRIPR consists of an ordered multi-domain core flexibly linked to an elongated tail. We test the hypothesis that PfRH5 opens to insert into the membrane, but instead show that a rigid, disulphide-locked PfRH5 can mediate efficient erythrocyte invasion. Finally, we show that the elongated tail of PfRIPR, which is the target of growth- neutralising antibodies, binds to the PfCSS-PfPTRAMP complex on the parasite membrane. Therefore, a modular PfRIPR is linked to the merozoite membrane through an elongated tail, while its structured core presents PfCyRPA and PfRH5 to interact with erythrocyte receptors. This provides novel insight into the mechanism of erythrocyte invasion and opens the way to new approaches in rational vaccine design.

Summary Invasion of red blood cells (RBCs) by Plasmodium merozoites is critical to their continued survival within the host. Two major protein families, the Duffy binding-like proteins (DBPs/EBAs) and the reticulocyte binding like proteins (RBLs/RHs) have been studied extensively in P. falciparum and are hypothesized to have overlapping, but critical roles just prior to host cell entry. The zoonotic malaria parasite, P. knowlesi , has larger invasive merozoites and contains a smaller, less redundant, DBP and RBL repertoire than P. falciparum . One DBP (DBPα) and one RBL, normocyte binding protein Xa (NBPXa) are essential for invasion of human RBCs. Taking advantage of the unique biological features of P. knowlesi and iterative CRISPR-Cas9 genome editing, we determine the precise order of key invasion milestones and demonstrate distinct roles for each family. These distinct roles support a mechanism for phased commitment to invasion and can be targeted synergistically with invasion inhibitory antibodies.

Tackling relapsing Plasmodium vivax and zoonotic Plasmodium knowlesi infections is critical to reducing malaria incidence and mortality worldwide. Understanding the biology of these important and related parasites was previously constrained by the lack of robust molecular and genetic approaches. Here, we establish CRISPR-Cas9 genome editing in a culture-adapted P. knowlesi strain and define parameters for optimal homology-driven repair. We establish a scalable protocol for the production of repair templates by PCR and demonstrate the flexibility of the system by tagging proteins with distinct cellular localisations. Using iterative rounds of genome-editing we generate a transgenic line expressing P. vivax Duffy binding protein (PvDBP), a lead vaccine candidate. We demonstrate that PvDBP plays no role in reticulocyte restriction but can alter the macaque/human host cell tropism of P. knowlesi. Critically, antibodies raised against the P. vivax antigen potently inhibit proliferation of this strain, providing an invaluable tool to support vaccine development.

The efficacy of current antimalarial drugs is threatened by reduced susceptibility of Plasmodium falciparum to artemisinin. In the Mekong region this is associated with mutations in the kelch propeller-encoding domain of pfkelch13, but variants of other parasite proteins are also thought to modulate the response to drug. Evidence from human and rodent studies suggests that the mu-subunit of the AP-2 adaptin trafficking complex is one such protein of interest. We generated transgenic Plasmodium falciparum parasites encoding the I592T variant of pfap2mu, orthologous to the I568T mutation associated with in vivo artemisinin resistance in P. chabaudi. When exposed to a four-hour pulse of dihydroartemisin in the ring-stage survival assay, two P. falciparum clones expressing AP-2mu I592T displayed significant and reproducible survival of 8.0% and 10.3%, respectively, compared to <2% for the 3D7 parental line (P = 0.0011 for each clone). In immunoprecipitation and localisation studies of HA-tagged AP-2mu, we identified interacting partners including AP-2alpha, AP-1/2beta, AP-2sigma and a kelch-domain protein encoded on chromosome 10 of P. falciparum, K10. Conditional knockout indicates that the AP-2 trafficking complex in P. falciparum is essential for the fidelity of merozoite biogenesis and membrane organisation in the mature schizont. We also show that while other heterotetrameric AP-complexes and secretory factors interact with clathrin, AP-2 complex subunits do not. Thus, the AP-2 complex may be diverted from a clathrin-dependent endocytic role seen in most eukaryotes into a Plasmodium-specific function. These findings represent striking divergences from eukaryotic dogma and support a role for intracellular traffic in determining artemisinin sensitivity in vitro, confirming the existence of multiple functional routes to reduced ring-stage artemisinin susceptibility. Therefore, the utility of pfkelch13 variants as resistance markers is unlikely to be universal, and phenotypic surveillance of parasite susceptibility in vivo may be needed to identify threats to our current combination therapies.