Whole-genome sequencing of the protozoan pathogen Trypanosoma cruzi revealed that the diploid genome contains a predicted 22,570 proteins encoded by genes, of which 12,570 represent allelic pairs. Over 50% of the genome consists of repeated sequences, such as retrotransposons and genes for large families of surface molecules, which include trans-sialidases, mucins, gp63s, and a large novel family (>1300 copies) of mucin-associated surface protein (MASP) genes. Analyses of the T. cruzi, T. brucei , and Leishmania major (Tritryp) genomes imply differences from other eukaryotes in DNA repair and initiation of replication and reflect their unusual mitochondrial DNA. Although the Tritryp lack several classes of signaling molecules, their kinomes contain a large and diverse set of protein kinases and phosphatases; their size and diversity imply previously unknown interactions and regulatory processes, which may be targets for intervention.

Leishmania species cause a spectrum of human diseases in tropical and subtropical regions of the world. We have sequenced the 36 chromosomes of the 32.8-megabase haploid genome of Leishmania major (Friedlin strain) and predict 911 RNA genes, 39 pseudogenes, and 8272 protein-coding genes, of which 36% can be ascribed a putative function. These include genes involved in host-pathogen interactions, such as proteolytic enzymes, and extensive machinery for synthesis of complex surface glycoconjugates. The organization of protein-coding genes into long, strand-specific, polycistronic clusters and lack of general transcription factors in the L. major, Trypanosoma brucei , and Trypanosoma cruzi (Tritryp) genomes suggest that the mechanisms regulating RNA polymerase II–directed transcription are distinct from those operating in other eukaryotes, although the trypanosomatids appear capable of chromatin remodeling. Abundant RNA-binding proteins are encoded in the Tritryp genomes, consistent with active posttranscriptional regulation of gene expression.

We describe the genome sequence of the protist Trichomonas vaginalis , a sexually transmitted human pathogen. Repeats and transposable elements comprise about two-thirds of the ∼160-megabase genome, reflecting a recent massive expansion of genetic material. This expansion, in conjunction with the shaping of metabolic pathways that likely transpired through lateral gene transfer from bacteria, and amplification of specific gene families implicated in pathogenesis and phagocytosis of host proteins may exemplify adaptations of the parasite during its transition to a urogenital environment. The genome sequence predicts previously unknown functions for the hydrogenosome, which support a common evolutionary origin of this unusual organelle with mitochondria.

Leishmania parasites cause a broad spectrum of clinical disease. Here we report the sequencing of the genomes of two species of Leishmania: Leishmania infantum and Leishmania braziliensis. The comparison of these sequences with the published genome of Leishmania major reveals marked conservation of synteny and identifies only approximately 200 genes with a differential distribution between the three species. L. braziliensis, contrary to Leishmania species examined so far, possesses components of a putative RNA-mediated interference pathway, telomere-associated transposable elements and spliced leader-associated SLACS retrotransposons. We show that pseudogene formation and gene loss are the principal forces shaping the different genomes. Genes that are differentially distributed between the species encode proteins implicated in host-pathogen interactions and parasite survival in the macrophage.

Leishmania parasites cause a spectrum of clinical pathology in humans ranging from disfiguring cutaneous lesions to fatal visceral leishmaniasis. We have generated a reference genome for Leishmania mexicana and refined the reference genomes for Leishmania major , Leishmania infantum , and Leishmania braziliensis . This has allowed the identification of a remarkably low number of genes or paralog groups (2, 14, 19, and 67, respectively) unique to one species. These were found to be conserved in additional isolates of the same species. We have predicted allelic variation and find that in these isolates, L. major and L. infantum have a surprisingly low number of predicted heterozygous SNPs compared with L. braziliensis and L. mexicana . We used short read coverage to infer ploidy and gene copy numbers, identifying large copy number variations between species, with 200 tandem gene arrays in L. major and 132 in L. mexicana . Chromosome copy number also varied significantly between species, with nine supernumerary chromosomes in L. infantum , four in L. mexicana , two in L. braziliensis , and one in L. major . A significant bias against gene arrays on supernumerary chromosomes was shown to exist, indicating that duplication events occur more frequently on disomic chromosomes. Taken together, our data demonstrate that there is little variation in unique gene content across Leishmania species, but large-scale genetic heterogeneity can result through gene amplification on disomic chromosomes and variation in chromosome number. Increased gene copy number due to chromosome amplification may contribute to alterations in gene expression in response to environmental conditions in the host, providing a genetic basis for disease tropism.

Visceral leishmaniasis is a potentially fatal disease endemic to large parts of Asia and Africa, primarily caused by the protozoan parasite Leishmania donovani . Here, we report a high-quality reference genome sequence for a strain of L. donovani from Nepal, and use this sequence to study variation in a set of 16 related clinical lines, isolated from visceral leishmaniasis patients from the same region, which also differ in their response to in vitro drug susceptibility. We show that whole-genome sequence data reveals genetic structure within these lines not shown by multilocus typing, and suggests that drug resistance has emerged multiple times in this closely related set of lines. Sequence comparisons with other Leishmania species and analysis of single-nucleotide diversity within our sample showed evidence of selection acting in a range of surface- and transport-related genes, including genes associated with drug resistance. Against a background of relative genetic homogeneity, we found extensive variation in chromosome copy number between our lines. Other forms of structural variation were significantly associated with drug resistance, notably including gene dosage and the copy number of an experimentally verified circular episome present in all lines and described here for the first time. This study provides a basis for more powerful molecular profiling of visceral leishmaniasis, providing additional power to track the drug resistance and epidemiology of an important human pathogen.

A selective inhibitor of the kinetoplastid proteasome (GNF6702) is identified that is highly efficacious in vivo, clearing the parasites that cause leishmaniasis, Chagas disease and sleeping sickness from mice, highlighting the possibility of developing a single class of drugs for these neglected diseases. Chagas disease, leishmaniasis, and sleeping sickness are caused by the kinetoplastid parasites Trypanosoma cruzi, Leishmania spp. and Trypanosoma brucei spp., respectively, and affect 20 million people worldwide. This study reports the results of a screen to find new conserved molecular targets and broad spectrum drugs that could be used to treat all three diseases. A selective inhibitor of the kinetoplastid proteasome (GNF6702) was identified as the most effective. It is highly efficacious in vivo, clearing parasites from mice in all three models of infection. GNF6702 is a non-competitive inhibitor, specific for kinetoplastid proteasome, and is well-tolerated in mice. These results highlight the possibility of developing a single class of drugs for these neglected diseases. Chagas disease, leishmaniasis and sleeping sickness affect 20 million people worldwide and lead to more than 50,000 deaths annually1. The diseases are caused by infection with the kinetoplastid parasites Trypanosoma cruzi, Leishmania spp. and Trypanosoma brucei spp., respectively. These parasites have similar biology and genomic sequence, suggesting that all three diseases could be cured with drugs that modulate the activity of a conserved parasite target2. However, no such molecular targets or broad spectrum drugs have been identified to date. Here we describe a selective inhibitor of the kinetoplastid proteasome (GNF6702) with unprecedented in vivo efficacy, which cleared parasites from mice in all three models of infection. GNF6702 inhibits the kinetoplastid proteasome through a non-competitive mechanism, does not inhibit the mammalian proteasome or growth of mammalian cells, and is well-tolerated in mice. Our data provide genetic and chemical validation of the parasite proteasome as a promising therapeutic target for treatment of kinetoplastid infections, and underscore the possibility of developing a single class of drugs for these neglected diseases.

Abstract Elucidating protein kinase signaling pathways is an important but challenging problem in cell biology. Phosphoproteomics has been used to identify many phosphorylation sites, however the spatial context of these sites within the cell is mostly unknown, making it difficult to reconstruct signalling pathways. To address this problem an in vivo proximity capturing workflow was developed, consisting of proximity biotinylation followed by protein cross-linking (XL-BioID). This was applied to protein kinases of the Leishmania kinetochore, leading to the discovery of a novel essential kinetochore protein, KKT26. XL-BioID enabled the quantification of proximal phosphosites at the kinetochore through the cell cycle, allowing the phosphorylation state of the kinetochore to be followed during assembly. A specific inhibitor of kinetochore protein kinases KKT10/KKT19 was used to show that XL-BioID provides a spatially focussed view of protein kinase inhibition, identifying 16 inhibitor-responsive proximal phosphosites, including 3 on KKT2, demonstrating the potential of this approach for discovery of in vivo kinase signalling pathways.

Abstract Leishmania are unicellular parasites that cause human and animal disease. Alongside other organisms in kinetoplastida, they have evolved an unusual genome architecture that requires all RNA polymerase II transcribed genes to be expressed constitutively, with transcriptional start regions denoted by histone variants and histone lysine acetylation. However, the way these chromatin marks are interpreted by the cell is not understood. Seven predicted bromodomain factors (BDF1-7), the reader modules for acetyl-lysine, were identified across Leishmania genomes. Using L. mexicana as a model, Cas9-driven gene deletions indicate that BDF1-5 are essential for promastigote survival, whilst DiCre inducible gene deletion of the dual bromodomain factor BDF5 identified it to be essential for both promastigotes and amastigotes. ChIP-seq assessment of BDF5s genomic distribution revealed it as highly enriched at transcriptional start sites. Using an optimised proximity proteomic and phosphoproteomic technique, XL-BioID, we defined the BDF5-proximal environment to be enriched for other bromodomain factors, histone acetyltransferase 2, and proteins essential for transcriptional activity and RNA processing. Inducible deletion of BDF5, led to a disruption of pol II transcriptional activity and global defects in gene expression. Our results indicate the requirement of Leishmania to interpret histone acetylation marks for normal levels of gene expression and thus cellular viability.

Summary Differentiation between distinct stages is fundamental for the life cycle of intracellular protozoan parasites and for transmission between hosts, requiring stringent spatial and temporal regulation. Here we applied kinome-wide gene deletion and gene tagging in Leishmania mexicana promastigotes to define protein kinases with life cycle transition roles. Whilst 162 were dispensable, 44 protein kinase genes were refractory to deletion in promastigotes and are likely core genes required for parasite replication. Phenotyping of pooled gene deletion mutants using bar-seq and projection pursuit clustering revealed functional phenotypic groups of protein kinases involved in differentiation from metacyclic promastigote to amastigote, growth and survival in macrophages and mice, colonisation of the sand fly and motility. This unbiased interrogation of protein kinase function in Leishmania allows targeted investigation of organelle-associated signalling pathways required for successful intracellular parasitism.