ABSTRACT New drugs targeting multiple stages of the malaria-causing parasite, Plasmodium , are needed to reduce and eliminate malaria worldwide. N -Myristoyltransferase (NMT) is an essential eukaryotic enzyme, and a validated chemically tractable drug target for malaria. Previous efforts have failed to target NMT owing to the low selectivity for the Plasmodium enzyme compared with human NMTs. Herein, we applied a structure-guided approach using previously reported NMT inhibitors as scaffolds to develop a new generation of Plasmodium vivax NMT ( Pv NMT) targeting compounds. We report a series of compounds with IC 50 values in the nM range and an order of magnitude improved selectivity to Plasmodium NMT over human NMT ( Hs NMT). X-ray co-crystallization of Pv NMT with a representative lead compound, 12b , supported the prevailing hypothesis that a conformational difference in a key tyrosine residue of Pv NMT and Hs NMT drives the selectivity between these enzymes. The compounds were triaged based on their selectivity for Pv NMT. They significantly decreased P. falciparum blood-stage parasite load, with IC 50 values ranging from 0.36 μM to 1.25 μM. The compounds exhibited a dose-dependent inhibition of P. vivax liver stage schizont and hypnozoite infection, consistently, in three different P. vivax isolates with IC 50 values ranging from 2.2 μM to 6 μM and from 1.2 μM to 12 μM. Our data provide evidence that NMT inhibitors could be multistage antimalarials, targeting both dormant and developing liver stage parasites, which is essential for malaria elimination. One Sentence Summary Potent and selective N -myristoyltransferase inhibitors of Plasmodium vivax hypnozoites and schizonts were synthesized and tested.

The facets of host control during Plasmodium liver infection remain largely unknown and conventional innate regulatory pathways are only minimally effective at eliminating parasites. Ferroptosis, a recently described form of iron-dependent cell death that drives accumulation of reactive oxygen species and lipid peroxides, but has not yet been shown to function as an innate immune response. Inducing ferroptosis with pharmacologicals or by genetic perturbation of its negative regulators, GPX4 and SLC7a11, dramatically reduces survival of the Plasmodium Liver Stage. In contrast, knockdown or knockout of NOX1 or knockdown of TFR1, which are required for ferroptosis, increases the number of Liver Stage parasites. Moreover, we demonstrate that blocking ferroptosis renders parasite-infected hepatocytes resistant to P53 mediated hepatocyte death. Our work establishes that ferroptotic signaling serves to control Plasmodium infection in the liver and raises the possibility that ferroptosis operates as an axis of the innate immune system to defend against intracellular pathogens.

The invasion of a suitable host hepatocyte by Plasmodium sporozoites is an essential step in malaria infection. We demonstrate that in infected hepatocytes, lysosomes are redistributed away from the nucleus, and surface exposure of lysosomal-associated membrane protein (LAMP1) is increased. Lysosome exocytosis in infected cells occurs independently of sporozoite traversal. Instead, a sporozoite-secreted factor is sufficient for the process. Knockdown of the SNARE proteins involved in lysosome-plasma membrane fusion reduces lysosome exocytosis and Plasmodium infection. In contrast, promoting fusion between the lysosome and plasma membrane dramatically increases infection. Our work demonstrates new parallels between Plasmodium sporozoite entry of hepatocytes and infection by the excavate pathogen, Trypanosoma cruzi and raises the question of whether convergent evolution has shaped host cell invasion by divergent pathogens.

Upon transmission to the liver, Plasmodium vivax parasites form replicating schizonts, which continue to initiate blood-stage infection, or dormant hypnozoites that reactivate weeks to months after initial infection. P. vivax phenotypes in the field vary significantly, including the ratio of schizonts to hypnozoites formed and the frequency and timing of relapse. Evidence suggests that both parasite genetics and environmental factors underly this heterogeneity. We previously demonstrated that data on the effect of a panel of kinase inhibitors with overlapping targets on Plasmodium liver stage infection, in combination with a computational approach called kinase regression (KiR), can be used to uncover novel host regulators of infection. Here, we applied KiR to evaluate the extent to which P. vivax liver-stage parasites are susceptible to changes in host kinase activity. We identified a role for a subset of host kinases in regulating schizont and hypnozoite infection and schizont size and characterized overlap as well as variability in host phosphosignaling dependencies between parasite forms and across multiple patient isolates. Striking, our data point to variability in host dependencies across P. vivax isolates, suggesting one possible origin of the heterogeneity observed across P. vivax in the field.

Abstract Both subunit and attenuated whole sporozoite vaccination strategies against Plasmodium infection have shown promising initial results in malaria-naïve westerners but exhibited less efficacy in malaria-exposed individuals in endemic areas. It has been hypothesized that preexisting immunity to malaria represents a significant roadblock to the development of a protective vaccine. Here, we demonstrate proof-of-concept that non-neutralizing antibodies (nNAb) can directly interfere with protective anti-PyCSP humoral responses. We developed and characterized a novel monoclonal antibody, RAM1, against the P. yoelii sporozoite major surface antigen, circumsporozoite protein (CSP). Unlike the canonical Py CSP repeat domain binding and neutralizing antibody (NAb) 2F6, RAM1 does not inhibit sporozoite traversal or entry of hepatocytes in vitro . Though 2F6 and RAM1 bind non-overlapping regions of the CSP-repeat domain, pretreatment with RAM1 abrogated 2F6’s capacity to block sporozoite traversal and invasion in vitro . Importantly, RAM1 reduced the efficacy of the polyclonal humoral response against CSP in vivo, paralleling the observed reduced efficacy of RTS,S in malaria-exposed populations. Taken together, our data demonstrate the interference of non-neutralizing antibodies with the efficacy of NAbs and may impact the efficacy of anti-CSP vaccines in malaria-exposed individuals.

Abstract Upon transmission to the human host, Plasmodium sporozoites exit the skin, are taken up by the blood stream, and then travel to the liver where they infect and significantly modify a single hepatocyte. Low infection rates within the liver have made proteomic studies of infected hepatocytes challenging, particularly in vivo , and existing studies have been largely unable to consider how protein and phosphoprotein differences are altered at different spatial locations within the heterogeneous liver. Using digital spatial profiling, we characterized changes in host signaling during Plasmodium yoelii infection in vivo without disrupting the liver tissue, and measured variation between infected cells. Moreover, we measured alterations in protein expression around infected hepatocytes and identified a subset of CD163 + Kupffer cells that migrate towards infected cells during infection. These data offer the first insight into the heterogeneity of the infected hepatocyte in situ and provide insights into how the parasite may alter the local microenvironment to influence its survival and modulate immunity.