Abstract Imported cases present a considerable challenge to the elimination of malaria. Traditionally, patient travel history has been used to identify imported cases, but the long-latency liver stages confound this approach in Plasmodium vivax . Molecular tools to identify and map imported cases offer a more robust approach, that can be combined with drug resistance and other surveillance markers in high-throughput, population-based genotyping frameworks. Using a machine learning approach incorporating hierarchical FST (HFST) and decision tree (DT) analysis applied to 831 P. vivax genomes from 20 countries, we identified a 28-Single Nucleotide Polymorphism (SNP) barcode with high capacity to predict the country of origin. The Matthews correlation coefficient (MCC), which provides a measure of the quality of the classifications, ranging from −1 (total disagreement) to 1 (perfect prediction), exceeded 0.9 in 15 countries in cross-validation evaluations. When combined with an existing 37-SNP P. vivax barcode, the 65-SNP panel exhibits MCC scores exceeding 0.9 in 17 countries with up to 30% missing data. As a secondary objective, several genes were identified with moderate MCC scores (median MCC range from 0.54-0.68), amenable as markers for rapid testing using low-throughput genotyping approaches. A likelihood-based classifier framework was established, that supports analysis of missing data and polyclonal infections. To facilitate investigator-lead analyses, the likelihood framework is provided as a web-based, open-access platform (vivaxGEN-geo) to support the analysis and interpretation of data produced either at the 28-SNP core or full 65-SNP barcode. These tools can be used by malaria control programs to identify the main reservoirs of infection so that resources can be focused to where they are needed most.

Abstract Radical cure of Plasmodium vivax malaria must include elimination of quiescent ‘hypnozoite’ forms in the liver; however, the only FDA-approved treatments are contraindicated in many vulnerable populations. To identify new drugs and drug targets, we screened the Repurposing, Focused Rescue, and Accelerated Medchem library against P. vivax liver stages and identified the DNA methyltransferase inhibitors hydralazine and cadralazine as active against hypnozoites. We then used bisulfite sequencing and immunostaining to identify cytosine modifications in the infectious stage (sporozoites) and liver stages, respectively. A subsequent screen of epigenetic inhibitors revealed hypnozoites are broadly sensitive to histone acetyltransferase and methyltransferase inhibitors, indicating that several epigenetic mechanisms are likely modulating hypnozoite persistence. Our data present an avenue for the discovery and development of improved radical cure antimalarials. One-Sentence Summary A drug repurposing screen reveals antihypertension drugs are active against P. vivax hypnozoites and epigenetic mechanisms play a role in hypnozoite quiescence.

Malaria parasites break down host hemoglobin into peptides and amino acids in the digestive vacuole for export to the parasite cytoplasm for growth: interrupting this process is central to the mode of action of several antimalarial drugs. Mutations in the chloroquine (CQ) resistance transporter, pfcrt , located in the digestive vacuole membrane, confer CQ resistance in Plasmodium falciparum , but typically affect parasite fitness. However, the role of other parasite loci in the evolution of CQ resistance is unclear. Here we use a combination of population genomics, genetic crosses and gene editing to demonstrate that a second vacuolar transporter plays a key role in both resistance and compensatory evolution. Longitudinal genomic analyses of the Gambian parasites revealed temporal signatures of selection on an amino acid transporter ( pfaat1) S258 L variant which increased from 0-87% in frequency between 1984 and 2014 in parallel with pfcrt1 K76 T . Parasite genetic crosses then identified a chromosome 6 quantitative trait locus containing pfaat1 that is selected by CQ treatment. Gene editing demonstrated that pfaat1 S258 L potentiates CQ-resistance but at a cost of reduced fitness, while pfaat1 F313 S , a common Southeast Asian polymorphism, reduces CQ-resistance while restoring fitness. Our analyses reveal hidden complexity in CQ-resistance evolution, suggesting that pfaat1 may underlie regional differences in the dynamics of resistance evolution, and modulate parasite resistance or fitness by manipulating the balance between both amino acid and drug transport.

Abstract The emergence and spread of artemisinin resistant Plasmodium falciparum , first in the Greater Mekong Subregion (GMS), and now in East Africa, is a major threat to global malaria eliminations ambitions. To investigate the artemisinin resistance mechanism, transcriptome analysis was conducted of 577 P. falciparum isolates collected in the GMS between 2016-2018. A specific artemisinin resistance-associated transcriptional profile was identified that involves a broad but discrete set of biological functions related to proteotoxic stress, host cytoplasm remodeling and REDOX metabolism. The artemisinin resistance-associated transcriptional profile evolved from initial transcriptional responses of susceptible parasites to artemisinin. The genetic basis for this adapted response is likely to be complex. One sentence summary The transcriptional profile that characterize artemisinin resistant infections with malaria parasites Plasmodium falciparum originates in the initial transcriptional response to the drug.

Background: Artemisinin-based combination therapies are the first line of treatment for Plasmodium falciparum infections worldwide, but artemisinin resistance (ART-R) has risen rapidly in in Southeast Asia over the last decade. Mutations in kelch13 have been associated with artemisinin (ART) resistance in this region. To explore the power of longitudinal genomic surveillance to detect signals in kelch13 and other loci that contribute to ART or partner drug resistance, we retrospectively sequenced the genomes of 194 P. falciparum isolates from five sites in Northwest Thailand, bracketing the era in which there was a rapid increase in ART-R in this region (2001 -2014). Results: We evaluated statistical metrics for temporal change in the frequency of individual SNPs, assuming that SNPs associated with resistance should increase frequency over this period. After Kelch13-C580Y, the strongest temporal change was seen at a SNP in phosphatidylinositol 4-kinase (PI4K), situated in a pathway recently implicated in the ART-R mechanism. However, other loci exhibit temporal signatures nearly as strong, and warrant further investigation for involvement in ART-R evolution. Through genome-wide association analysis we also identified a variant in a kelch-domain-containing gene on chromosome 10 that may epistatically modulate ART-R. Conclusions: This analysis demonstrates the potential of a longitudinal genomic surveillance approach to detect resistance-associated loci and improve our mechanistic understanding of how resistance develops. Evidence for additional genomic regions outside of the kelch13 locus associated with ART-R parasites may yield new molecular markers for resistance surveillance and may retard the emergence or spread of ART-R in African parasite populations.

Genetic crosses are most powerful for linkage analysis when progeny numbers are high, when parental alleles segregate evenly and, for hermaphroditic organisms, when numbers of inbred progeny are minimized. We previously developed a novel genetic crossing platform for the human malaria parasite Plasmodium falciparum , an obligately sexual, hermaphroditic protozoan, using mice carrying human hepatocytes (the human liver-chimeric FRG NOD huHep mouse) as the vertebrate host. Here we examine the statistical power of two different genetic crosses – (1) between a laboratory parasite (NF54) of African origin and a patient-derived Asian parasite, and (2) between two sympatric patient-derived Asian parasites. We generated >140 unique recombinant clones over a 12-month period from the four parental genotypes, doubling the number of unique recombinant progeny generated in the previous 30 years. Both crosses show bi-parental inheritance of plastid markers amongst recombinant progeny, in contrast to previous crosses (conducted using chimpanzee hosts) which carried single dominant plastid genotypes. Both crosses show distinctive segregation patterns. The allopatric African/Asian cross has minimal levels of inbreeding (2% of clonal progeny are inbred) and extreme skews in marker segregation, while in the sympatric Asian cross, inbred progeny predominate (66% of clonal progeny are inbred) and parental alleles segregate evenly. Using simulations, we demonstrate that these progeny arrays (particularly the sympatric Asian cross) have excellent power to map large-effect mutations to a 31 kb interval and can capture complex, epistatic interactions that were far beyond the capacity of previous malaria crosses to detect. The extreme segregation distortion in the allopatric African/Asian cross erodes power to detect linkage in several genome regions, but the repeatable distortions observed offer promising alternative approaches to identifying genes underlying traits of interest. These crosses show surprising variation in marker segregation, nevertheless, the increased progeny numbers improve our ability to rapidly map biomedically important parasite traits.Author Summary Understanding how genome mutations contribute to newly emerging drug resistance in parasites like Plasmodium falciparum is important to monitor the spread of drug resistance. This scenario has been playing out in Southeast Asia with the emergence and spread of artemisinin resistance. Here we show that new P. falciparum genetic crosses, using mice carrying human liver cells and infused with human red blood cells (the human liver-chimeric FRG NOD huHep/huRBC mouse), provide an important new tool for understanding complex interactions underlying drug resistance phenotypes. We report two new genetic maps with 84 and 60 unique recombinant progeny, which doubles the number of progeny available from 4 previous P. falciparum genetic crosses. Through extensive simulations we show that with 84 progeny we can find association for a gene that controls only 20% of the variation in a phenotype. We also show that a cross generated from Southeast Asian parasites collected from the same geographic region have unique characteristics not previously observed in P. falciparum genetic crosses. This Southeast Asian cross exhibits even segregation across the genome, unbiased inheritance of mitochondria and apicoplast and higher levels of inbreeding than previously observed.

Single-cell genomics is a powerful tool for determining the genetic structure of complex communities of unicellular organisms. Patients infected with the malaria-causing parasite, Plasmodium falciparum, often carry multiple, genetically distinct parasites. Little is known about the diversity and relatedness of these lineages. We have developed an improved single-cell genomics protocol to reconstruct individual haplotypes from infections, a necessary step in uncovering parasite ecology within the host. This approach captures singly-infected red blood cells (iRBCs) by fluorescence-activated cell sorting (FACS) prior to whole genome amplification (WGA) and whole genome sequencing (WGS). Here, we demonstrate that parasites in late cell cycle stages, which contain increased DNA content, are far superior templates for generating high quality genomic data. Targeting of these cells routinely generates near-complete capture of the 23Mb P. falciparum genome (mean breadth of coverage 90.7%) at high efficiency. We used this approach to analyze the genomes of 48 individual cells from a polyclonal malaria infection sampled in Chikhwawa, Malawi. This comprehensive dataset enabled high-resolution estimation of the clonality and the relatedness of parasite haplotypes within the infection, long-standing problems in malaria biology.

Malaria is transmitted through female Anopheline mosquitoes where gamete fusion and meiosis occurs, and humans where parasites proliferate asexually. We describe a powerful approach to identify the genetic determinants of parasite fitness across both invertebrate and vertebrate life-cycle stages in human malaria parasite Plasmodium falciparum using bulk segregant analysis (BSA). We combined experimental genetic crosses using humanized mice, with selective whole genome amplification and BSA at multiple developmental stages in both mosquito and vertebrate host to examine parasite competition and identify genomic regions under selection. We generated crosses between artemisinin resistant (ART-R, kelch13-C580Y) and ART-sensitive (ART-S, kelch13-WT) parasite clones recently isolated from Southeast Asian patients. We then quantified genome-wide changes in allele frequency in the parasite progeny population from infected midgut and salivary glands of Anopheles stephensi mosquitoes, infected livers, emerging merozoites and aliquots of in vitro cultured progeny parasites at intervals over 30 days. Three striking results emerge: we observed (i) a strong skew (>80%) towards alleles from the ART-R parent in the mosquito stage, that dropped to ~50% in the blood stage as selfed ART-R parasites were selected against; (ii) highly repeatable skews in allele frequencies across the genome in blood stage parasites; (iii) particularly strong selection (selection coefficient (s) ≤ 0.18/asexual cycle) against alleles from the ART-R parent at loci on chromosome 12 containing MRP2 and chromosome 14 containing ARPS10. This approach robustly identifies selected loci and has strong potential for identifying parasite genes that interact with the mosquito vector or compensatory loci involved in drug resistance.

Artemisinin resistant Plasmodium falciparum is advancing across Southeast Asia in a soft selective sweep involving at least 20 independent kelch13 mutations. In a large global survey, we find that kelch13 mutations which cause resistance in Southeast Asia are present at low frequency in Africa. We show that African kelch13 mutations have originated locally, and that kelch13 shows a normal variation pattern relative to other genes in Africa, whereas in Southeast Asia there is a great excess of non‐synonymous mutations, many of which cause radical amino‐acid changes. Thus, kelch13 is not currently undergoing strong selection in Africa, despite a deep reservoir of standing variation that could potentially allow resistance to emerge rapidly. The practical implications are that public health surveillance for artemisinin resistance should not rely on kelch13 data alone, and interventions to prevent resistance must account for local evolutionary conditions, shown by genomic epidemiology to differ greatly between geographical regions.

Introduction: All nations of the Greater Mekong Subregion have committed to elimination of malaria by the year 2030. Elimination efforts rely on increasing access to diagnosis and treatment. However, asymptomatic infections pose a major challenge for these efforts. One approach towards eliminating asymptomatic reservoirs is targeted mass antimalarial drug administration (MDA). Here we present a fine scale spatiotemporal analysis of malaria incidence and prevalence in villages undergoing MDA. Methods: Four villages along the Myanmar-Thailand border were selected for a MDA pilot study based on clinical records and prevalence surveys. Passive detection of clinical episodes was facilitated through community based malaria clinics in each village. All villagers were screened using venous blood and ultra-sensitive qPCR (uPCR) for detection of parasites at baseline and every subsequent 3 months until month 18 (M18). A final screening was done at M24. MDAs were conducted on M0, M1 and M2 in two villages and on M9, M10, M11 in the remaining two villages. Which villages received early or deferred MDA was decided using restricted randomization. MDA participation, clinical episodes and uPCR detected infections were mapped to participant houses. Scan statistics were used to test for clusters of malaria episodes, malaria infections and non-adherence to MDA. Mixed effects regressions were used to test for risk factors for clinical episodes after MDA. Results: Neighborhood level MDA adherence was a major predictor for clinical episodes of malaria post-MDA, suggesting a strong herd effect. Each village had a cluster of P. falciparum infections at M0. After M0, there were no clusters of uPCR detectable P. falciparum infections. Clinical episodes of P. falciparum occurred in one village only which had a cluster of non-adherence to MDA and a high mosquito vector human biting rate. Individuals with subclinical P. falciparum infections were more likely to have subsequent clinical episodes than individuals who had no subclinical infections. Individuals who lived in a house with someone who had a clinical episode were more likely to also have a clinical episode subsequently than individuals residing in a house free of P. falciparum infections. Conclusion: To our knowledge this is the first study to show a herd effect from MDA for malaria. These data and results have significance for spatial targeting of interventions for malaria elimination. Clusters of non-adherence to MDA participation can lead to failed elimination if they occur among individuals with asymptomatic infections and given sufficient mosquito vector exposure. Community participation, which can be facilitated through community engagement, is key to MDA success.