A vestigial, nonphotosynthetic plastid has been identified recently in protozoan parasites of the phylum Apicomplexa. The apicomplexan plastid, or “apicoplast,” is indispensable, but the complete sequence of both the Plasmodium falciparum and Toxoplasma gondii apicoplast genomes has offered no clue as to what essential metabolic function(s) this organelle might perform in parasites. To investigate possible functions of the apicoplast, we sought to identify nuclear-encoded genes whose products are targeted to the apicoplast in Plasmodium and Toxoplasma . We describe here nuclear genes encoding ribosomal proteins S9 and L28 and the fatty acid biosynthetic enzymes acyl carrier protein (ACP), β-ketoacyl-ACP synthase III (FabH), and β-hydroxyacyl-ACP dehydratase (FabZ). These genes show high similarity to plastid homologues, and immunolocalization of S9 and ACP verifies that the proteins accumulate in the plastid. All the putatively apicoplast-targeted proteins bear N-terminal presequences consistent with plastid targeting, and the ACP presequence is shown to be sufficient to target a recombinant green fluorescent protein reporter to the apicoplast in transgenic T. gondii . Localization of ACP, and very probably FabH and FabZ, in the apicoplast implicates fatty acid biosynthesis as a likely function of the apicoplast. Moreover, inhibition of P. falciparum growth by thiolactomycin, an inhibitor of FabH, indicates a vital role for apicoplast fatty acid biosynthesis. Because the fatty acid biosynthesis genes identified here are of a plastid/bacterial type, and distinct from those of the equivalent pathway in animals, fatty acid biosynthesis is potentially an excellent target for therapeutics directed against malaria, toxoplasmosis, and other apicomplexan-mediated diseases.

Although the signals that control neutrophil migration from the blood to sites of infection have been well characterized, little is known about their migration patterns within lymph nodes or the strategies that neutrophils use to find their local sites of action. To address these questions, we used two-photon scanning-laser microscopy to examine neutrophil migration in intact lymph nodes during infection with an intracellular parasite, Toxoplasma gondii. We found that neutrophils formed both small, transient and large, persistent swarms via a coordinated migration pattern. We provided evidence that cooperative action of neutrophils and parasite egress from host cells could trigger swarm formation. Neutrophil swarm formation coincided in space and time with the removal of macrophages that line the subcapsular sinus of the lymph node. Our data provide insights into the cellular mechanisms underlying neutrophil swarming and suggest new roles for neutrophils in shaping immune responses.

Cryptosporidium is an important cause of diarrhoeal disease in young children but until now it has been difficult to study; here, the parasite is genetically modified, paving the way for in-depth investigation and the development of effective treatments. The protozoan parasite Cryptosporidium is a major cause of diarrhoeal disease in young children but until now it has been difficult to study and there is currently no vaccine and only a single drug (nitazoxanide) available to counter the infection. Here Boris Striepen and colleagues describe a robust genetic system for cryptosporidiosis. They genetically modify Cryptosporidium parvum by optimizing transfection of sporozoites using a CRISPR/Cas9 system, to generate stable transgenic lines suitable for in vitro and in vivo drug screening. Using this system they knockout the gene encoding thymidine kinase which increases susceptibility to trimethoprim, an antimalarial drug to which wild-type Cryptosporidium is resistant. Recent studies into the global causes of severe diarrhoea in young children have identified the protozoan parasite Cryptosporidium as the second most important diarrhoeal pathogen after rotavirus1,2,3. Diarrhoeal disease is estimated to be responsible for 10.5% of overall child mortality4. Cryptosporidium is also an opportunistic pathogen in the contexts of human immunodeficiency virus (HIV)-caused AIDS and organ transplantation5,6. There is no vaccine and only a single approved drug that provides no benefit for those in gravest danger: malnourished children and immunocompromised patients7,8. Cryptosporidiosis drug and vaccine development is limited by the poor tractability of the parasite, which includes a lack of systems for continuous culture, facile animal models, and molecular genetic tools3,9. Here we describe an experimental framework to genetically modify this important human pathogen. We established and optimized transfection of C. parvum sporozoites in tissue culture. To isolate stable transgenics we developed a mouse model that delivers sporozoites directly into the intestine, a Cryptosporidium clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/Cas9 system, and in vivo selection for aminoglycoside resistance. We derived reporter parasites suitable for in vitro and in vivo drug screening, and we evaluated the basis of drug susceptibility by gene knockout. We anticipate that the ability to genetically engineer this parasite will be transformative for Cryptosporidium research. Genetic reporters will provide quantitative correlates for disease, cure and protection, and the role of parasite genes in these processes is now open to rigorous investigation.

Parasites of the phylum Apicomplexa cause diseases that impact global health and economy. These unicellular eukaryotes possess a relict plastid, the apicoplast, which is an essential organelle and a validated drug target. However, much of its biology remains poorly understood, in particular its elaborate compartmentalization: four membranes defining four different spaces. Only a small number of organellar proteins have been identified in particular few proteins are known for non-luminal apicoplast compartments. We hypothesized that enlarging the catalogue of apicoplast proteins will contribute toward identifying new organellar functions and expand the realm of targets beyond a limited set of characterized pathways. We developed a bioinformatic screen based on mRNA abundance over the cell cycle and on phyletic distribution. We experimentally assessed 57 genes, and of 30 successful epitope tagged candidates eleven novel apicoplast proteins were identified. Of those, seven appear to target to the lumen of the organelle, and four localize to peripheral compartments. To address their function we then developed a robust system for the construction of conditional mutants via a promoter replacement strategy. We confirm the feasibility of this system by establishing conditional mutants for two selected genes – a luminal and a peripheral apicoplast protein. The latter is particularly intriguing as it encodes a hypothetical protein that is conserved in and unique to Apicomplexan parasites and other related organisms that maintain a red algal endosymbiont. Our studies suggest that this peripheral plastid protein, PPP1, is likely localized to the periplastid compartment. Conditional disruption of PPP1 demonstrated that it is essential for parasite survival. Phenotypic analysis of this mutant is consistent with a role of the PPP1 protein in apicoplast biogenesis, specifically in import of nuclear-encoded proteins into the organelle.

ABSTRACT Cryptosporidiosis is a leading cause of waterborne diarrheal disease globally and an important contributor to mortality in infants and the immunosuppressed. Despite its importance, the Cryptosporidium community still relies on a fragmented reference genome sequence from 2004. Incomplete reference sequences hamper experimental design and interpretation. We have generated a new C. parvum IOWA genome assembly supported by PacBio and Oxford Nanopore long-read technologies and a new comparative and consistent genome annotation for three closely related species C. parvum , C. hominis and C. tyzzeri . The new C. parvum IOWA reference genome assembly is larger, gap free and lacks ambiguous bases. This chromosomal assembly recovers 13 of 16 possible telomeres and raises a new hypothesis for the remaining telomeres and associated subtelomeric regions. Comparative annotation revealed that most “missing” orthologs are found suggesting that species differences result primarily from structural rearrangements, gene copy number variation and SNVs in C. parvum, C. hominis and C. tyzzeri . We made >1,500 C. parvu m annotation updates based on experimental evidence. They included new transporters, ncRNAs, introns and altered gene structures. The new assembly and annotation revealed a complete DNA methylase Dnmt2 ortholog. 190 genes under positive selection including many new candidates were identified using the new assembly and annotation as reference. Finally, possible subtelomeric amplification and variation events in C. parvum are detected that reveal a new level of genome plasticity that will both inform and impact future research.

SUMMARY Apicomplexan parasites possess secretory organelles called rhoptries that undergo regulated exocytosis upon contact with the host. This process is essential for the parasitic lifestyle of these pathogens and relies on an exocytic machinery sharing structural features and molecular components with free-living ciliates. Here, we performed a Tetrahymena -based transcriptomic screen to uncover novel exocytic factors in Ciliata and Apicomplexa. We identified membrane-bound proteins, named CRMPs, forming part of a large complex essential for rhoptry secretion and invasion in Toxoplasma . In contrast to previously described rhoptry exocytic factors, TgCRMPs are not required for the assembly of the rhoptry secretion machinery and only transiently associated with the exocytic site - prior to invasion. CRMPs and their partners contain putative host cell-binding domains, and CRMPa shares similarity to GPCR proteins. We propose that the CRMP complex acts as host-molecular sensor to ensure that rhoptry exocytosis occurs when the parasite contacts the host cell.

Abstract Parasites and their hosts are engaged in rapid coevolution that balances competing mechanisms of virulence, resistance, and evasion. This often leads to host specificity, but genomic reassortment between different strains can enable parasites to jump host barriers and conquer new niches. In the apicomplexan parasite Cryptosporidium genetic exchange has been hypothesized to play a prominent role in adaptation to humans. The sexual lifecycle of the parasite provides a potential mechanism for such exchange; however, the boundaries of Cryptosporidium sex are currently undefined. To explore this experimentally, we established a model for genetic crosses. Drug resistance was engineered using a mutated phenylalanyl tRNA synthetase gene and marking strains with this and the previously used Neo transgene enabled selection of recombinant progeny. This is highly efficient, and genomic recombination is evident and can be continuously monitored in real time by drug resistance, flow cytometry, and PCR mapping. Using this approach multiple loci can now be modified with ease. We demonstrate that essential genes can be ablated by crossing a Cre recombinase driver strain with floxed strains. We further find that genetic crosses are also feasible between species. Crossing C. parvum, a parasite of cattle and humans, and C. tyzzeri a mouse parasite resulted in progeny with a recombinant genome derived from both species that continues to vigorously replicate sexually. These experiments have important fundamental and translational implications for the evolution of Cryptosporidium and open the door to reverse- and forward-genetic analysis of parasite biology and host specificity. Significance statement The parasite Cryptosporidium is a leading cause of diarrheal disease. While infection is common all around the world, young children experiencing malnutrition are impacted most profoundly, and the disease is an important contributor to early childhood mortality. This study experimentally demonstrates that different strains and even species of Cryptosporidium can recombine their genomes through sex. The progeny of such genetic crosses shows combined features of both parents, with resistance to multiple drugs being one example. Sex thus provides a critical mechanism for the parasite to rapidly adapt to changing environments and hosts. Genetic crosses as an experimental tool may also be harnessed in the future to discover the genes underlying differences in virulence, drug sensitivity, and immunogenicity between parasite isolates.

ABSTRACT The parasite Cryptosporidium is responsible for diarrheal disease in young children causing death, malnutrition, and growth delay. Cryptosporidium invades enterocytes where it develops in a unique intracellular niche. Infected cells exhibit profound changes in morphology, physiology and transcriptional activity. How the parasite effects these changes is poorly understood. We explored the localization of highly polymorphic proteins and found members of the C. parvum MEDLE protein family to be translocated into the cytoplasm of infected cells. All intracellular life stages engage in this export, which occurs after completion of invasion. Mutational studies defined an N-terminal host-targeting motif and demonstrated proteolytic processing at a specific leucine residue. Direct expression of MEDLE2 in mammalian cells triggered an ER stress response that was also observed during infection. Taken together, our studies reveal the presence of a Cryptosporidium secretion system capable of delivering pathogenesis factors into the infected enterocyte.

Abstract Cryptosporidium causes debilitating diarrheal disease in patients with primary and acquired defects in T cell function. However, it has been a challenge to understand how this infection generates T cell responses and how they mediate parasite control. Here, Cryptosporidium was engineered to express a parasite effector protein (MEDLE-2) that contains the MHC-I restricted SIINFEKL epitope which is recognized by TCR transgenic OT-I CD8 + T cells. These modified parasites induced expansion of endogenous SIINFEKL-specific and OT-I CD8 + T cells that were a source of IFN-γ that could restrict growth of Cryptosporidium . This T cell response was dependent on the translocation of the effector and similar results were observed with another secreted parasite effector (ROP1). Although infection and these translocated effector proteins are restricted to intestinal epithelial cells (IEC), type I dendritic cells (cDC1) were required to generate CD8 + T cell responses to these model antigens. These data sets highlight Cryptosporidium effectors as targets of the immune system and suggest that crosstalk between enterocytes and cDC1s is crucial for CD8 + T cell responses to Cryptosporidium .