Apicomplexan parasites constitute one of the most significant groups of pathogens infecting humans and animals. The liver stage sporozoites of Plasmodium spp. and tachyzoites of Toxoplasma gondii, the causative agents of malaria and toxoplasmosis, respectively, use a unique mode of locomotion termed gliding motility to invade host cells and cross cell substrates. This amoeboid-like movement uses a parasite adhesin from the thrombospondin-related anonymous protein (TRAP) family and a set of proteins linking the extracellular adhesin, via an actin-myosin motor, to the inner membrane complex. The Plasmodium blood stage merozoite, however, does not exhibit gliding motility. Here we show that homologues of the key proteins that make up the motor complex, including the recently identified glideosome-associated proteins 45 and 50 (GAP40 and GAP50), are present in P. falciparum merozoites and appear to function in erythrocyte invasion. Furthermore, we identify a merozoite TRAP homologue, termed MTRAP, a micronemal protein that shares key features with TRAP, including a thrombospondin repeat domain, a putative rhomboid-protease cleavage site, and a cytoplasmic tail that, in vitro, binds the actin-binding protein aldolase. Analysis of other parasite genomes shows that the components of this motor complex are conserved across diverse Apicomplexan genera. Conservation of the motor complex suggests that a common molecular mechanism underlies all Apicomplexan motility, which, given its unique properties, highlights a number of novel targets for drug intervention to treat major diseases of humans and livestock.

Abstract The malaria parasite undergoes a series of extensive morphological changes within its human host and mosquito vector. A scaffold of microtubules beneath a peripheral double membrane establishes and maintains the distinct shapes of all infectious forms, but the underlying structural basis remains unknown. Here we applied in situ electron cryo-tomography after focused ion beam milling to follow changes in the microtubule cytoskeleton throughout the Plasmodium life cycle. This revealed an unexpected level of structural and architectural diversity so far not observed in other organisms. Microtubules in migrating mosquito forms consist of 13 protofilaments reinforced by interrupted luminal helices. Conversely, gametocyte microtubules consist of 13 to 18 protofilaments with doublets, triplets and quadruplets of varying arrangements. We show the microtubule cytoskeleton within the native cellular context, highlighting structurally diverse apical rings which act as microtubule organising centres. This provides a unique view into a relevant human pathogen with an unusual microtubule cytoskeleton.

Abstract The malaria parasite Plasmodium falciparum replicates inside erythrocytes in the blood of infected humans. During each replication cycle, a small proportion of parasites commits to sexual development and differentiates into gametocytes, which are essential for parasite transmission to other human hosts via the mosquito vector. Detailed molecular investigation of gametocyte biology and transmission has been hampered by difficulties in generating large numbers of these highly specialized cells. Here, we engineered marker-free P. falciparum inducible gametocyte producer (iGP) lines for the routine mass production of synchronous gametocytes. Through targeted overexpression of the sexual commitment factor GDV1, iGP lines consistently achieve sexual commitment rates of 75% and produce gametocytes that are infectious to mosquitoes. Subsequent tagging of a nucleoporin allowed us to visualize marked nuclear transformations during gametocytogenesis and demonstrates that further genetic engineering of iGP lines is an invaluable tool for the targeted exploration of gametocyte biology. We believe the iGP approach developed here opens up unprecedented opportunities that will expedite future basic and applied research on P. falciparum transmission stages.

ABSTRACT For its replication within red blood cells, the malaria parasite is highly dependent on correctly regulated lipid metabolism. Enzymes involved in lipid metabolic processes are therefore potential drug targets. We here provide a functional analysis of the 20 putative phospholipases that are expressed by asexual blood stages of Plasmodium falciparum . We reveal a high level of redundancy among members of this group, but using conditional mislocalization and gene disruption techniques we show that the phosphoinositide-specific phospholipase C (PF3D7_1013500) has a previously unrecognized essential role in intracellular parasite maturation. In addition, we demonstrate that the patatin-like phospholipase PF3D7_1358000 localizes to the mitochondrion. Parasites lacking this enzyme display a severe growth phenotype and defects in mitochondrial morphogenesis and function leading to hypersensitivity towards proguanil and inhibitors of the mitochondrial electron transport chain including atovaquone. This demonstrates that regulated mitochondrial lipid homeostasis is necessary for mitochondrial function and coordinated division during parasite multiplication.

ABSTRACT Merozoite invasion of host red blood cells (RBCs) is essential for survival of the human malaria parasite Plasmodium falciparum . Proteins involved with RBC binding and invasion are secreted from dual-club shaped organelles at the apical tip of the merozoite called the rhoptries. Here we characterise P. falciparum Cytosolically Exposed Rhoptry Leaflet Interacting protein 2 (PfCERLI2), as a rhoptry bulb protein that is essential for merozoite invasion. Phylogenetic analyses show that cerli2 arose through an ancestral gene duplication of cerli1 , a related cytosolically exposed rhoptry bulb protein. We show that PfCERLI2 is essential for blood-stage growth and localises to the cytosolic face of the rhoptry bulb. Inducible knockdown of PfCERLI2 led to an inhibition of merozoite invasion after tight junction formation. PfCERLI2 knockdown was associated with inhibition of rhoptry antigen processing and a significant elongation of the rhoptries, suggesting that the inability of merozoites to invade is caused by aberrant rhoptry function due to PfCERLI2 deficiency. These findings identify PfCERLI2 as a protein that has key roles in rhoptry biology during merozoite invasion.

Abstract Malaria parasite release (egress) from host red blood cells involves parasite-mediated membrane poration and rupture, thought to involve membrane-lytic effector molecules such as perforin-like proteins and/or phospholipases. With the aim of identifying these effectors, we disrupted the expression of two Plasmodium falciparum perforin-like proteins simultaneously and showed that they have no essential roles during blood stage egress. Proteomic profiling of parasite proteins discharged into the parasitophorous vacuole (PV) just prior to egress detected the presence in the PV of a lecithin:cholesterol acyltransferase (LCAT; PF3D7_0629300). Conditional ablation of LCAT resulted in abnormal egress and a reduced replication rate. Lipidomic profiles showed drastic changes in several phosphatidylserine and acylphosphatidylglycerol species during egress. We thus show that, in addition to its previously demonstrated role in liver stage merozoite egress, LCAT is required to facilitate efficient egress in asexual blood stage malaria parasites. Author Summary Malaria kills over half a million people every year worldwide. It is caused by a single-celled parasite called Plasmodium falciparum that grows and multiplies within a bounding vacuole, inside red blood cells of the infected individuals. Following each round of multiplication, the infected cell is ruptured in a process known as egress to release a new generation of parasites. Egress is required for the disease to progress and is orchestrated by the parasite. The parasite sends out various molecules to puncture and destroy the membranes of the vacuole and the red blood cell. However, little is known about these molecules. In this work, we set out to identify these molecules by using genetic and proteomics approaches. We screened the molecules the parasite sends out during egress and identified a parasite enzyme called LCAT present in the vacuole. Our experiments found that mutant parasites that were unable to make LCAT clumped together and could not escape the infected cell properly. As a result, we saw a reduction in the rate at which these parasites spread through the red blood cells. Taken together, our findings suggest that P. falciparum needs LCAT to efficiently break out of red blood cells.

ABSTRACT The inner membrane complex (IMC) is a defining feature of apicomplexan parasites, which confers stability and shape to the cell, functions as a scaffolding compartment during the formation of daughter cells and plays an important role in motility and invasion during different life cycle stages of these single celled organisms. To explore the IMC proteome of the malaria parasite Plasmodium falciparum we applied a proximity-dependent biotin identification (BioID)-based proteomics approach, using the established IMC marker protein Photosensitized INA-Labelled protein 1 (PhIL1) as bait in asexual blood-stage parasites. Subsequent mass spectrometry-based peptide identification revealed enrichment of twelve known IMC proteins and several uncharacterized candidate proteins. We validated nine of these previously uncharacterized proteins by endogenous GFP-tagging. Six of these represent new IMC proteins, while three proteins have a distinct apical localization that most likely represent structures described as apical annuli in Toxoplasma gondii . Additionally, various Kelch13 interacting candidates were identified, suggesting an association of the Kelch13 compartment and the IMC in schizont and merozoite stages. This work extends the number of validated IMC proteins in the malaria parasite and reveals for the first time the existence of apical annuli proteins in P. falciparum. Additionally, it provides evidence for a spatial association between the Kelch13 compartment and the IMC in late blood-stage parasites.

Abstract Sequestration of Plasmodium falciparum -infected erythrocytes to host endothelium through the parasite-derived Pf EMP1 adhesion proteins is central to the development of malaria pathogenesis. Pf EMP1 proteins have diversified and expanded to encompass many sequence variants conferring each parasite a similar array of human endothelial receptor binding phenotypes. Here, we analyzed RNA-seq profiles of parasites isolated from 32 P. falciparum infected adult travelers returning to Germany. Patients were categorized into either malaria naïve (n=15) or pre-exposed (n=17), and into severe (n=8) or non-severe (n=24) cases. For differential expression analysis of Pf EMP1-encoding var gene transcripts were de novo assembled from RNA-seq data and, in parallel, var expressed sequence tags were analyzed and used to predict the encoded domain composition of the transcripts. Both approaches showed in concordance that severe malaria was associated with Pf EMP1 containing the endothelial protein C receptor (EPCR)-binding CIDRα1 domain, whereas CD36-binding Pf EMP1 was linked to non-severe malaria outcomes. First-time infected adults were more likely to develop severe symptoms and tended to be infected for a longer period. Thus, parasites with more pathogenic Pf EMP1 variants are more common in patients with a naïve immune status and/or adverse inflammatory host responses to first infections favors growth of EPCR-binding parasites.

ABSTRACT Mature gametocytes of Plasmodium ( P .) falciparum display a banana (falciform) shape conferred by a complex array of subpellicular microtubules (SPMT) associated to the inner membrane complex (IMC). Microtubule associated proteins (MAPs) define MT populations and modulate interaction to pellicular components. Several MAPs have been identified in Toxoplasma gondii and homologues can be found in the genome of Plasmodium species, but the function of these proteins for asexual and sexual development of malaria parasites is still unknown. Here we identified a novel subpellicular MAP, termed SPM3, that is conserved within the genus Plasmodium ., especially within the Laverania subgenus, but absent in other Apicomplexa. Conditional knockdown and targeted gene disruption of Pfspm3 in P. falciparum cause severe morphological defects during gametocytogenesis leading to round, non-falciform gametocytes with an aberrant SPMT pattern. In contrast, Pbspm3 knockout in P. berghei , a species with round gametocytes, caused no defect in gametocytogenesis, but sporozoites displayed an aberrant motility and a dramatic defect in sporozoite invasion of salivary glands leading to a decreased efficiency in transmission. Electron microscopy revealed a dissociation of the SPMT from the IMC in Pbspm3 knockout parasites suggesting a function of SPM3 in anchoring MTs to the IMC. Overall, our results highlight SPM3 as a pellicular component with essential functions for malaria parasite transmission. IMPORTANCE A key structural feature driving the transition between different life cycle stages of the malaria parasite is the unique three membrane “pellicle”, consisting of the parasite plasma membrane (PPM) and a double membrane structure underlying the PPM termed the “inner membrane complex” (IMC). Additionally, there are numerous linearly arranged intramembranous particles (IMPs) linked to the IMC, which likely link the IMC to the subpellicular microtubule cytoskeleton. Here we identify, localize and characterize a novel subpellicular microtubule associated protein unique to the genus Plasmodium ( P .). The knockout of this protein in the human infecting P. falciparum species result in malformed gametocytes and aberrant microtubules. We confirmed the microtubule association in the P. berghei rodent malaria homologue and show that its knockout results in a perturbated microtubule architecture, aberrant sporozoite motility and decreased transmission efficiency.

Abstract Membrane transport proteins perform crucial roles in cell physiology. The obligate intracellular parasite Plasmodium falciparum , an agent of human malaria, relies on membrane transport proteins for the uptake of nutrients from the host, disposal of metabolic waste, exchange of metabolites between organelles and generation and maintenance of transmembrane electrochemical gradients for its growth and replication within human erythrocytes. Despite their importance for Plasmodium cellular physiology, the functional roles of a number of membrane transport proteins remain unclear, which is particularly true for orphan membrane transporters that have no or limited sequence homology to transporter proteins in other evolutionary lineages. Therefore, in the current study, we applied endogenous tagging, targeted gene disruption, conditional knockdown and knockout approaches to investigate the subcellular localization and essentiality of six membrane transporters during intraerythrocytic development of P. falciparum parasites. They are localized at different subcellular structures – the food vacuole, the apicoplast, and the parasite plasma membrane – and four out of the six membrane transporters are essential during asexual development. Additionally, the plasma membrane resident transporter 1 (PMRT1, PF3D7_1135300), a unique Plasmodium -specific plasma membrane transporter, was shown to be essential for gametocytogenesis and functionally conserved within the genus Plasmodium . Overall, we reveal the importance of four orphan transporters to blood stage P. falciparum development, which have diverse intracellular localizations and putative functions. Importance Plasmodium falciparum -infected erythrocytes possess multiple compartments with designated membranes. Transporter proteins embedded in these membranes do not only facilitate movement of nutrients, metabolites and other molecules between these compartments, but are common therapeutic targets and can also confer antimalarial drug resistance. Orphan membrane transporter in P. falciparum without sequence homology to transporters in other evolutionary lineages and divergent to host transporters may constitute attractive targets for novel intervention approaches. Here, we localized six of these putative transporters at different subcellular compartments and probed into their importance during asexual parasite growth using reverse genetic approaches. In total, only two candidates turned out to be dispensable for the parasite, highlighting four candidates as putative targets for therapeutic interventions. This study reveals the importance of several orphan transporters to blood stage P. falciparum development.