Plasmodium spp parasites harbor an unusual plastid organelle called the apicoplast. Due to its prokaryotic origin and essential function, the apicoplast is a key target for development of new anti-malarials. Over 500 proteins are predicted to localize to this organelle and several prokaryotic biochemical pathways have been annotated, yet the essential role of the apicoplast during human infection remains a mystery. Previous work showed that treatment with fosmidomycin, an inhibitor of non-mevalonate isoprenoid precursor biosynthesis in the apicoplast, inhibits the growth of blood-stage P. falciparum. Herein, we demonstrate that fosmidomycin inhibition can be chemically rescued by supplementation with isopentenyl pyrophosphate (IPP), the pathway product. Surprisingly, IPP supplementation also completely reverses death following treatment with antibiotics that cause loss of the apicoplast. We show that antibiotic-treated parasites rescued with IPP over multiple cycles specifically lose their apicoplast genome and fail to process or localize organelle proteins, rendering them functionally apicoplast-minus. Despite the loss of this essential organelle, these apicoplast-minus auxotrophs can be grown indefinitely in asexual blood stage culture but are entirely dependent on exogenous IPP for survival. These findings indicate that isoprenoid precursor biosynthesis is the only essential function of the apicoplast during blood-stage growth. Moreover, apicoplast-minus P. falciparum strains will be a powerful tool for further investigation of apicoplast biology as well as drug and vaccine development.

Abstract Plasmodium parasites and related pathogens contain an essential non-photosynthetic plastid organelle, the apicoplast, derived from secondary endosymbiosis. Intriguingly, a highly conserved eukaryotic protein, autophagy-related protein 8 (Atg8), has an autophagy-independent function in the apicoplast. Little is known about the novel apicoplast function of Atg8 and its importance in blood-stage P. falciparum . Using a P. falciparum strain in which Atg8 expression was conditionally regulated, we showed that Pf Atg8 is essential for parasite replication. Significantly, growth inhibition caused by the loss of Pf Atg8 was reversed by addition of isopentenyl pyrophosphate (IPP), which was previously shown to rescue apicoplast defects in P. falciparum . Parasites deficient in Pf Atg8, but growth rescued by IPP, had lost their apicoplast. We designed a suite of functional assays, including a new fluorescence in situ hybridization (FISH) method for detection of the low-copy apicoplast genome, to interrogate specific steps in apicoplast biogenesis and detect apicoplast defects which preceded the block in parasite replication. Though protein import and membrane expansion of the apicoplast were unaffected, the apicoplast was not inherited by daughter parasites. Our findings demonstrate that, though multiple autophagy-dependent and independent functions have been proposed for Pf Atg8, only its role in apicoplast biogenesis is essential. We propose that Pf Atg8 is required for fission or segregation of the apicoplast during parasite replication.

Epithemia spp. diatoms contain obligate, nitrogen-fixing endosymbionts, or "diazoplasts", derived from cyanobacteria. These algae are a rare example of photosynthetic eukaryotes that have successfully coupled oxygenic photosynthesis with oxygen-sensitive nitrogenase activity. Here, we report a newly-isolated species, E. clementina, as a model to investigate endosymbiotic acquisition of nitrogen fixation. To detect the metabolic changes associated with endosymbiotic specialization, we compared nitrogen fixation, associated carbon and nitrogen metabolism, and their regulatory pathways in the Epithemia diazoplast with its close, free-living cyanobacterial relative, Crocosphaera subtropica. Unlike C. subtropica, we show that nitrogenase activity in the diazoplast is concurrent with, and even dependent on, host photosynthesis and no longer associated with cyanobacterial glycogen storage suggesting carbohydrates are imported from the host diatom. Carbohydrate catabolism in the diazoplast indicates that the oxidative pentose pathway and oxidative phosphorylation, in concert, generates reducing equivalents and ATP and consumes oxygen to support nitrogenase activity. In contrast to expanded nitrogenase activity, the diazoplast has diminished ability to utilize alternative nitrogen sources. Upon ammonium repletion, negative feedback regulation of nitrogen fixation was conserved, however ammonia assimilation showed paradoxical responses in the diazoplast compared with C. subtropica. The altered nitrogen regulation likely favors nitrogen transfer to the host. Our results suggest that the diazoplast is specialized for endosymbiotic nitrogen fixation. Altogether, we establish a new model for studying endosymbiosis, perform the first functional characterization of this diazotroph endosymbiosis, and identify metabolic adaptations for endosymbiotic acquisition of a critical biological function.

Malaria, caused by Plasmodium falciparum, remains a significant health burden. One major barrier for developing antimalarial drugs is the ability of the parasite to rapidly generate resistance. We previously demonstrated that salinipostin A (SalA), a natural product, potently kills parasites by inhibiting multiple lipid metabolizing serine hydrolases, a mechanism that results in a low propensity for resistance. Given the difficulty of employing natural products as therapeutic agents, we synthesized a small library of lipidic mixed alkyl/aryl phosphonates as bioisosteres of SalA. Two constitutional isomers exhibited divergent antiparasitic potencies that enabled the identification of therapeutically relevant targets. The active compound kills parasites through a mechanism that is distinct from both SalA and the pan-lipase inhibitor orlistat and shows synergistic killing with orlistat. Our compound induces only weak resistance, attributable to mutations in a single protein involved in multidrug resistance. These data suggest that mixed alkyl/aryl phosphonates are promising, synthetically tractable antimalarials.

We identified MMV026468 as a picomolar inhibitor of blood-stage

ABSTRACT The Plasmodium proteasome is a promising antimalarial drug target due to its essential role in all parasite lifecycle stages. Furthermore, proteasome inhibitors have synergistic effects when combined with current first-line artemisinins. Linear peptides that covalently inhibit the proteasome are effective at killing parasites and have a low propensity for inducing resistance. However, these scaffolds generally suffer from poor pharmacokinetics and bioavailability. Here we describe the development of covalent, irreversible macrocyclic inhibitors of the P. falciparum proteasome. We identified compounds with excellent potency and low cytotoxicity, however, the first generation suffered from poor microsomal stability. Further optimization of an existing macrocyclic scaffold resulted in an irreversible covalent inhibitor carrying a vinyl sulfone electrophile that retained high potency, low cytotoxicity, and had acceptable metabolic stability. Importantly, unlike the parent reversible inhibitor that selected for multiple mutations in the proteasome, with one resulting in a 5,000-fold loss of potency, the irreversible analog only showed a 5-fold loss in potency for any single point mutation. Furthermore, an epoxyketone analog of the same scaffold retained potency against a panel of known proteasome mutants. These results confirm that macrocycles are optimal scaffolds to target the malarial proteasome and that the use of a covalent electrophile can greatly reduce the ability of the parasite to generate drug resistance mutations.

Isoprenoid biosynthesis is essential for Plasmodium falciparum (malaria) parasites and contains multiple validated antimalarial drug targets, including a bifunctional farnesyl and geranylgeranyl diphosphate synthase (FPPS/GGPPS). We identified MMV019313 as an inhibitor of PfFPPS/GGPPS. Though PfFPPS/GGPPS is also inhibited by a class of bisphosphonate drugs, MMV019313 has significant advantages for antimalarial drug development. MMV019313 has superior physicochemical properties compared to charged bisphosphonates that have poor bioavailability and strong bone affinity. We also show that it is highly selective for PfFPPS/GGPPS and showed no activity against human FPPS or GGPPS. Inhibition of PfFPPS/GGPPS by MMV019313, but not bisphosphonates, was disrupted in an S228T variant, demonstrating that MMV019313 and bisphosphonates have distinct modes-of-inhibition against PfFPPS/GGPPS. Altogether MMV019313 is the first specific, non-bisphosphonate inhibitor of PfFPPS/GGPPS. Our findings uncover a new small molecule binding site in this important antimalarial drug target and provide a promising starting point for development of Plasmodium-specific FPPS/GGPPS inhibitors.

The malaria parasite Plasmodium falciparum and related apicomplexan pathogens contain an essential plastid organelle, the apicoplast, which is a key anti-parasitic target. Derived from secondary endosymbiosis, the apicoplast depends on novel, but largely cryptic, mechanisms for protein/lipid import and organelle inheritance during parasite replication. These critical biogenesis pathways present untapped opportunities to discover new parasite-specific drug targets. We used an innovative screen to identify actinonin as having a novel mechanism-of-action inhibiting apicoplast biogenesis. Resistant mutation, chemical-genetic interaction, and biochemical inhibition demonstrate that the unexpected target of actinonin in P. falciparum and Toxoplasma gondii is FtsH1, a homolog of a bacterial membrane AAA+ metalloprotease. PfFtsH1 is the first novel factor required for apicoplast biogenesis identified in a phenotypic screen. Our findings demonstrate that FtsH1 is a novel and, importantly, druggable antimalarial target. Development of FtsH1 inhibitors will have significant advantages with improved drug kinetics and multistage efficacy against multiple human parasites.

Malaria parasites (Plasmodium spp.) contain a nonphotosynthetic plastid organelle called the apicoplast, which houses essential metabolic pathways and is required throughout the parasite life cycle. Hundreds of proteins are imported across 4 membranes into the apicoplast to support its function and biogenesis. The machinery that mediates this import process is distinct from proteins in the human host and may serve as ideal drug targets. However, a significant concern is whether inhibition of apicoplast protein import will result in a 'delayed-death' phenotype that limits clinical use, as observed for inhibitors of apicoplast housekeeping pathways. To assess the growth inhibition kinetics of disrupting apicoplast protein import, we targeted a murine dihydrofolate reductase (mDHFR) domain, which is stabilized by the compound WR99210, to the apicoplast to enable inducible blocking of apicoplast-localized protein translocons. We show that stabilization of this apicoplast-targeted mDHFR disrupts parasite growth within a single lytic cycle in an apicoplast-specific manner. Consistent with inhibition of apicoplast protein import, stabilization of this fusion protein disrupted transit peptide processing of endogenous apicoplast proteins and caused defects in apicoplast biogenesis. These results indicate that disruption of apicoplast protein import avoids delayed-death growth inhibition and that target-based approaches to develop inhibitors of import machinery may yield viable next-generation antimalarials.

ABSTRACT Artemisinins are first-line treatment for malaria, prized for their extremely fast reduction of parasite load in patients. New fast-acting antimalarial compounds are urgently needed to counter artemisinin resistance, but the fast parasite reduction observed with artemisinins is rare among antimalarial compounds. Here we show that MMV1580853 has a very fast in vitro killing rate, comparable to that of dihydroartemisinin. Near-complete parasite growth inhibition was observed within 1 hour of treatment with MMV1580853 and dihydroartemisinin, while chloroquine, another fast-acting antimalarial, showed partial growth inhibition after 1h. MMV1580853 was reported to inhibit prenyltransferases, but its fast killing rate is inconsistent with this mechanism-of-action and we were unable to validate any of 3 annotated P. falciparum prenyltransferases as MMV1580853 targets. MMV1580853 also did not phenocopy the inhibition phenotype of either chloroquine or dihydroartemisinin. These results indicate that MMV1580853 has a distinct mechanism-of-action leading to a very fast killing rate. MMV1580853 compound development and investigation of its mechanism-of-action will be critical avenues in the search for drugs matching the remarkable clinical efficacy of artemisinin.