Abstract Rapid proliferation of Plasmodium falciparum parasites in human red blood cells is the cause of malaria and is underpinned by an unconventional cell division mode, called schizogony. Contrary to model organisms, P. falciparum replicates by multiple rounds of closed and asynchronous nuclear divisions that are not interrupted by cytokinesis. Organization and dynamics of the critical nuclear division factors are, however, poorly understood. Centriolar plaques, the centrosomes of P. falciparum , are important regulators of division and serve as microtubule organizing centers. Early microscopy studies reveal an acentriolar, amorphous structure although its detailed organization remains elusive. Intranuclear microtubules mediate chromosome segregation, but the small size of parasite nuclei has precluded detailed analysis of their arrangement by classical fluorescence microscopy. We apply recently developed STED, expansion microscopy, and live cell imaging protocols to describe the reconfiguration of microtubules during schizogony. Analysis of centrin, nuclear pore, and microtubule positioning reveals a bipartite organization of the centriolar plaque. While centrin is extranuclear, we confirm by correlative light and electron tomography that microtubules are nucleated in a previously unknown and extended intranuclear compartment, which is devoid of chromatin. This study enables us to build a working model of the organization of an unconventional centrosome and better understand the diversity of eukaryotic cell division modes.

Malaria-causing parasites proliferate within erythrocytes through schizogony, forming multinucleated stages before cellularization. Nuclear multiplication does not follow a strict geometric 2 n progression and each proliferative cycle produces a heterogeneous number of progeny. Here, by tracking nuclei and DNA replication, we show that individual nuclei replicate their DNA at different times, despite residing in a shared cytoplasm. Extrapolating from experimental data using mathematical modeling, we demonstrate that a limiting factor must exist that slows down the nuclear multiplication rate. Indeed, our data show that temporally overlapping DNA replication events were significantly slower than partially or non-overlapping events. Our findings suggest an evolutionary pressure that selects for asynchronous DNA replication, balancing available resources with rapid pathogen proliferation.

Abstract Plasmodium falciparum proliferates through schizogony in the clinically relevant blood stage of infection. During schizogony, consecutive rounds of DNA replication and nuclear division give rise to multinucleated stages before cellularization occurs. Although these nuclei reside in a shared cytoplasm, DNA replication and nuclear division occur asynchronously. Here, by mapping the proteomic context of the S-phase-promoting kinase Pf CRK4, we show that it has a dual role for nuclear-cycle progression: Pf CRK4 orchestrates not only DNA replication, but also the rearrangement of intranuclear microtubules. Live-cell imaging of a reporter parasite showed that these microtubule rearrangements coincide with the onset of DNA replication. Together, our data render Pf CRK4 the key factor for nuclear-cycle progression, linking entry into S-phase with the initiation of mitotic events. In part, such links may compensate for the absence of canonical cell cycle checkpoints in P. falciparum .

Several deep-sea marine invertebrates were collected from hydrothermal vents, seamounts and cold coral assemblages in the North Atlantic Ocean, near the Azores islands. The effect of their lipid crude extracts against two strains of malaria parasite P. falciparum (Dd2 and 3D7) was measured in vitro in order to establish the potential of these invertebrates as new sources for antimalarial compounds. Extracts that presented higher antimalarial activity potential were gorgonian Callogorgia verticillata and the hydrothermal vent shrimp Mirocaris fortunata, presenting the lowest value of IC50 and the highest selectivity index for both evaluated stains. To our knowledge this is the first report on the antimalarial activity of crude lipid extracts considering species collected at depths higher then 100 m.

Abstract Many of the currently available anti-parasitic and anti-fungal frontline drugs have severe limitations, including adverse side effects, complex administration, and increasing occurrence of resistance. The discovery and development of new therapeutic agents is a costly and lengthy process. Therefore, repurposing drugs with already established clinical application offers an attractive, fast-track approach for novel treatment options. In this study, we show that the anti-cancer drug MitoTam, a mitochondria-targeted analog of tamoxifen, efficiently eliminates a wide range of evolutionarily distinct pathogens in vitro , including pathogenic fungi, Plasmodium falciparum , and several species of trypanosomatid parasites, causative agents of debilitating neglected tropical diseases. MitoTam treatment was also effective in vivo and significantly reduced parasitemia of two medically important parasites, Leishmania mexicana and Trypanosoma brucei , in their respective animal infection models. Functional analysis in the bloodstream form of T. brucei showed that MitoTam rapidly altered mitochondrial functions, particularly affecting cellular respiration, lowering ATP levels, and dissipating mitochondrial membrane potential. Our data suggest that the mode of action of MitoTam involves disruption of the inner mitochondrial membrane, leading to rapid organelle depolarization and cell death. Altogether, MitoTam is an excellent candidate drug against several important pathogens, for which there are no efficient therapies and for which drug development is not a priority. Author Summary MitoTam, a mitochondrially targeted analog of tamoxifen, is a promising anti-cancer candidate drug acting by accumulating in and destabilizing cell mitochondria. In this study, we analyze its effect on a wide range of evolutionarily distinct and medically important pathogens. These include a) pathogenic fungi, Candida albicans, and Cryptococcus neoformans, ubiquitous opportunistic pathogens that cause life-threatening diseases in immunocompromised or immunologically deficient individuals; b) Plasmodium falciparum , the causative agent of human malaria; and c) several species of trypanosomatid parasites such as Trypanosoma cruzi, responsible for deadly Chagas disease in South America, Trypanosoma brucei, the causative agent of sleeping sickness in Africa, and Leishmania, the etiological agent of leishmaniasis, a spectrum of diseases ranging from usually self-healing but potentially disfiguring cutaneous and mucocutaneous leishmaniasis, to visceral leishmaniasis, which is invariably fatal if left untreated. We show that MitoTam efficiently kills these parasites in laboratory conditions and in the case of trypanosomes and leishmaniases suppress or at least slow down the infection in mouse model.

Abstract Malaria-causing parasites achieve rapid proliferation in human blood through multiple rounds of asynchronous nuclear division followed by daughter cell formation. Nuclear divisions critically depend on the centriolar plaque, which organizes intranuclear spindle microtubules. The centriolar plaque consists of an extranuclear compartment, which is connected via a nuclear pore-like structure to a chromatin-free intranuclear compartment. Composition and function of this non-canonical centrosome remain largely elusive. Centrins, which reside in the extranuclear part, are among the very few centrosomal proteins conserved in Plasmodium falciparum . Here we identify a novel centrin-interacting centriolar plaque protein. Conditional knock down of this Sfi1-like protein (PfSlp) caused a growth delay in blood stages, which correlated with a reduced number of daughter cells. Surprisingly, intranuclear tubulin abundance was significantly increased, which raises the hypothesis that the centriolar plaque might be implicated in regulating tubulin levels. Disruption of microtubule homeostasis caused polymerization of excess microtubules and aberrant mitotic spindles. Time-lapse microscopy revealed that this prevented or delayed spindle extension. Our study thereby identifies a novel extranuclear centriolar plaque factor and establishes a functional link to the intranuclear compartment of this divergent eukaryotic centrosome.