Abstract Maintenance of stable ploidy over continuous mitotic events is a paradigm for most higher eukaryotes. Defects in chromosome segregation and/or replication can lead to aneuploidy, a condition often considered deleterious. However, in Leishmania , a Protozoan parasite, aneuploidy is a constitutive feature, where variations of somies represent a mechanism of gene expression adaptation, possibly impacting phenotypes. Strikingly, clonal Leishmania populations display cell-to-cell somy variation, a phenomenon named mosaic aneuploidy (MA). However, until recently, no method was available for the determination of the complete karyotype of single Leishmania parasites. To overcome this limitation, we used here for the first time a high-throughput single-cell genomic sequencing (SCGS) method to estimate individual karyotypes of 1560 promastigote cells in a clonal population of Leishmania donovani . We identified 128 different karyotypes, of which 4 were dominant. A network analysis revealed that most karyotypes are linked to each other by changes in copy number of a single chromosome and allowed us to propose a hypothesis of MA evolution. Moreover, aneuploidy patterns that were previously described by Bulk Genome Sequencing as emerging during first contact of promastigotes populations with different drugs are already pre-existing in single karyotypes in the SCGS data, suggesting a (pre-)adaptive role of MA. Additionally, the degree of somy variation was chromosome-specific. The SCGS also revealed a small fraction of cells where one or more chromosomes were nullisomic. Together, these results demonstrate the power of SCGS to resolve sub-clonal karyotype heterogeneity in Leishmania and pave the way for understanding the role of MA in these parasites’ adaptability. Update: 25 th May 2021 A revision of the present preprint was released in BioRxiv on 11 th May 2021 ( https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.11.443577v2 ). In the new version, we included two extra samples in our single-cell genome sequencing (SCGS) analysis – the BPK081 cl8 clone (a nearly euploid strain), and a population consisting of a mixture of four L. donovani strains which was used as control for high levels of mosaicism in aneuploidy and for estimation of doublets. We also upgraded the bioinformatics pipeline to determine single-cell karyotypes and performed new fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis. The new findings observed especially in the BPK081 cl8 led to a reformulation of the text, a new hypothesis for the evolution of mosaicism and a general restructuring of the article. Therefore, the present preprint is obsolete. Please refer to the new preprint entitled “High throughput single cell genome sequencing gives insights in the generation and evolution of mosaic aneuploidy in Leishmania donovani ” for more information.

SUMMARY Schistosomiasis is a poverty-related chronic disease that affects over 240 million people across 78 countries worldwide. In order to control the disease, the World Health Organization (WHO) recommends the drug praziquantel against all forms of schistosomiasis. Mass Drug Administration (MDA) programs with praziquantel are successful on the short-term as they reduce the prevalence and infection intensity after treatment, and thus instantly relieve the patient from the burden of its disease. However, epidemiological and genetic studies suggest that current school-based interventions may have little or no long-term impact on parasite transmission. Here, we adopt a Darwinian approach to understand the impact of MDA on the neutral evolution of Schistosoma parasites and assess its potential to eliminate schistosomiasis. We develop a finite island model to simulate the impact of repeated treatments on the genetic diversity of schistosome populations locally (within each host, i.e. infrapopulation) and regionally (within all hosts combined, i.e. component population). We show that repeated treatments induced strong and lasting declines in parasite infrapopulation sizes, resulting in concomitant genetic bottlenecks within the treated individuals. However, parasite genetic diversity recovered quickly in a few generations due to re-infection, and there was little or no impact of treatment on the genetic diversity of the component population when treatment coverage was 95% or lower. This was mainly due to parasite infrapopulations of the untreated host individuals that acted as reservoirs of genetic diversity, sustaining the diversity of the component population. Hence, lasting declines in parasite genetic diversity were only observed when coverage of treatment was 100%, resulting in population crashes after a minimum of six treatment rounds. We argue that achieving a full coverage of treatment is highly challenging for most endemic regions in sub-Saharan Africa, and conclude that MDA alone has little potential to achieve elimination within a conceivable time frame. Our results raise skepticism about the current WHO goals of elimination of schistosomiasis by 2025.

Abstract Genetic exchange and hybridization in parasitic organisms is fundamental to the exploitation of new hosts and host populations. Variable mating frequency often coincides with strong metapopulation structure, where patchy selection or demography may favor different reproductive modes. Evidence for genetic exchange in Trypanosoma cruzi over the last 30 years has been limited and inconclusive. The reproductive modes of other medically important trypanosomatids are better established, although little is known about their variability on a spatio-temporal scale. Targeting a contemporary focus of T. cruzi transmission in southern Ecuador, we present compelling evidence from 45 sequenced genomes that T. cruzi (discrete typing unit I) maintains sexual populations alongside others that represent clonal bursts of parasexual origin. Strains from one site exhibit genome-wide Hardy-Weinberg equilibrium and intra-chromosomal linkage decay consistent with meiotic reproduction. Strains collected from adjacent areas (>6 km) show excess heterozygosity, near-identical haplo-segments, common mitochondrial sequences and levels of aneuploidy incompatible with Mendelian sex. Certain individuals exhibit trisomy in as many as fifteen chromosomes. Others present fewer, yet shared, aneuploidies reminiscent of mitotic genome erosion and parasexual genetic exchange. Genomic and intra-genomic phylogenetics as well as haplotype co-ancestry analyses indicate a clear break in gene-flow between these distinct populations, despite the fact that they occasionally co-occur in vectors and hosts. We propose biological explanations for the fine-scale disconnectivity we observe and discuss the epidemiological consequences of flexible reproductive modes and their genomic architecture for this medically important parasite.

Abstract Leishmania , a unicellular eukaryotic parasite, is a unique model for aneuploidy and cellular heterogeneity, along with their potential role in adaptation to environmental stresses. Somy variation within clonal populations was previously explored in a small subset of chromosomes using fluorescence hybridization methods. This phenomenon, termed mosaic aneuploidy (MA), might have important evolutionary and functional implications but remains under-explored due to technological limitations. Here, we applied and validated a high throughput single-cell genome sequencing method to study for the first time the extent and dynamics of whole karyotype heterogeneity in two Leishmania clonal populations representing different stages of MA evolution in vitro. We found that drastic changes in karyotypes quickly emerge in a population stemming from an almost euploid founder cell. This possibly involves polyploidization/hybridization at an early stage of population expansion, followed by assorted ploidy reduction. During further stages of expansion, MA increases by moderate and gradual karyotypic alterations. MA usually affected a defined subset of chromosomes, of which some display an enrichment in snoRNA genes which could represent an adaptative benefit to the amplification of these chromosomes. Our data provide the first complete characterization of MA in Leishmania and pave the way for further functional studies. Note to the BioRxiv community The present preprint is a revision of an older preprint posted on 06th March 2020 on BioRxiv ( https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.05.976233v1 ). Here we included two extra samples in our single-cell genome sequencing (SCGS) analysis – the BPK081 cl8 clone (a nearly euploid strain) and a population consisting of a mixture of four L. donovani strains which was used as control for high levels of mosaicism in aneuploidy and for estimation of doublets. We also upgraded the bioinformatics pipeline to determine single-cell karyotypes and performed new fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis. The new findings observed especially in the BPK081 cl8 led to a reformulation of the text, a new hypothesis for the evolution of mosaicism and a general restructuring of the article. Therefore, the older preprint is obsolete.

ABSTRACT The Neotropical realm, one of the most biodiverse regions on Earth, houses a broad range of zoonoses that pose serious public health threats. Protozoan parasites of the Leishmania ( Viannia ) braziliensis species complex cause zoonotic leishmaniasis in Latin America with clinical symptoms ranging from simple cutaneous to destructive, disfiguring mucosal lesions. We present the first comprehensive genome-wide continental study including 257 cultivated isolates representing most of the geographical distribution of this major human pathogen. The L. braziliensis species complex is genetically highly heterogeneous, consisting of divergent parasite groups that are associated with different environments and vary greatly in diversity. Apart from several small ecologically isolated groups with little diversity, our sampling identifies two major parasite groups, one associated with the Amazon and the other with the Atlantic Forest biomes. These groups show different recombination histories, as suggested by high levels of heterozygosity and effective population sizes in the Amazonian group in contrast to high levels of linkage and clonality in the Atlantic group. We argue that these differences are linked to strong eco-epidemiological differences between the two regions. In contrast to geographically focused studies, our study provides a broad understanding of the molecular epidemiology of zoonotic parasites circulating in tropical America.

Abstract Aneuploidy is generally considered harmful, but in some microorganisms, it can act as an adaptive mechanism against environmental stresses. Here, we used Leishmania – a protozoan parasite with a remarkable genome plasticity – to study the early evolution of aneuploidy under high drug pressure (antimony or miltefosine) as stressor model. By combining single-cell genomics, lineage tracing with cellular barcodes and longitudinal genome characterization, we revealed that antimony-induced aneuploidy changes result from the polyclonal selection of pre-existing karyotypes, complemented by further and rapid de novo alterations in chromosome copy number along evolution. In the case of miltefosine, early parasite adaptation was associated with independent pre-existing point mutations in a miltefosine transporter gene and aneuploidy changes only emerged later, upon exposure to increased concentration of the drug. Thus, polyclonality and genome plasticity are hallmarks of parasite adaptation, but the scenario of aneuploidy dynamics is dependent on the nature and strength of the environmental stress as well as on the existence of other pre-adaptive mechanisms.

Abstract Introduction Resistance against anti- Leishmania drugs (DR) has been studied for years, giving important insights into long-term adaptations of these parasites to drugs, through genetic modifications. However, microorganisms can also survive lethal drug exposure by entering into temporary quiescence, a phenomenon called drug tolerance (DT), which is rather unexplored in Leishmania . Methods We studied a panel of 9 Leishmania braziliensis strains highly susceptible to potassium antimonyl tartrate (PAT), exposed promastigotes to lethal PAT pressure and compared several cellular and molecular parameters distinguishing DT from DR. Results and discussion We demonstrated in vitro that a variable proportion of cells remained viable, showing all the criteria of DT and not of DR: (i) signatures of quiescence, under drug pressure: reduced proliferation and significant decrease of rDNA transcription, (ii) reversibility of the phenotype: return to low IC 50 after removal of drug pressure, (iii) absence of significant genetic differences between exposed and unexposed lineages of each strain and absence of reported markers of DR. We found different levels of quiescence and DT among the different L. braziliensis strains. We provide here a new in vitro model of drug-induced quiescence and DT in Leishmania . Research should be extended in vivo , but current model could be further exploited to support R&D, for instance, to guide screening of compounds able to overcome quiescence resilience of the parasite, hereby improving therapy of leishmaniasis.

ABSTRACT Leishmania aethiopica is a zoonotic Old World parasite transmitted by Phlebotomine sand flies and causing cutaneous leishmaniasis in Ethiopia and Kenya. Despite a range of clinical manifestations and a high prevalence of treatment failure, L. aethiopica is the most neglected species of the Leishmania genus in terms of scientific attention. Here, we explored the genome diversity of L. aethiopica by analyzing the genomes of twenty isolates from Ethiopia. Phylogenomic analyses identified two strains as interspecific hybrids involving L. aethiopica as one parent and L. donovani and L. tropica respectively as the other parent. High levels of genome-wide heterozygosity suggest that these two hybrids are equivalent to F1 progeny that propagated mitotically since the initial hybridization event. Analyses of allelic read depths further revealed that the L. aethiopica - L. tropica hybrid was diploid and the L. aethiopica - L. donovani hybrid was triploid, as has been described for other interspecific Leishmania hybrids. When focusing on L. aethiopica , we show that this species is genetically highly diverse and consists of both asexually evolving strains and groups of recombining parasites. A remarkable observation is that some L. aethiopica strains showed an extensive loss of heterozygosity across large regions of the chromosomal genome, which likely arose from gene conversion/mitotic recombination. Hence, our prospection of L. aethiopica genomics revealed new insights into the genomic consequences of both meiotic and mitotic recombination in Leishmania .

Viruses are the most abundant biological entities on Earth and play a significant role in the evolution of many organisms and ecosystems. In pathogenic protozoa, the presence of endosymbiotic viruses has been linked to an increased risk of treatment failure and severe clinical outcome. Here, we studied the molecular epidemiology of the zoonotic disease cutaneous leishmaniasis in Peru and Bolivia through a joint evolutionary analysis of Leishmania braziliensis parasites and their endosymbiotic Leishmania RNA virus. We show that parasite populations circulate in isolated pockets of suitable habitat and are associated with single viral lineages that appear in low prevalence. In contrast, groups of hybrid parasites were geographically and ecologically dispersed, and commonly infected from a pool of genetically diverse viruses. Our results suggest that parasite hybridization, likely due to increased human migration and ecological perturbations, increased the frequency of endosymbiotic interactions known to play a key role in disease severity.

Whole genome sequencing (WGS) is increasingly used for molecular diagnosis and epidemiology of infectious diseases. Current Leishmania genomic studies rely on DNA extracted from cultured parasites, which might introduce sampling and biological biases into the subsequent analyses. Up to now, direct analysis of Leishmania genome in clinical samples is hampered by high levels of human DNA and large variation in parasite load in patient samples. Here, we present a method, based on target enrichment of Leishmania donovani DNA with Agilent SureSelect technology, that allows the analysis of Leishmania genomes directly in clinical samples. We validated our protocol with a set of artificially mixed samples, followed by the analysis of 63 clinical samples (bone marrow or spleen aspirates) from visceral leishmaniasis patients in Nepal. We were able to identify genotypes using a set of diagnostic SNPs in almost all of these samples (97%) and access comprehensive genome-wide information in most (83%). This allowed us to perform phylogenomic analysis, assess chromosome copy number and identify large copy number variants (CNVs). Pairwise comparisons between the parasite genomes in clinical samples and derived in vitro cultured promastigotes showed a lower aneuploidy in amastigotes as well as genomic differences, suggesting polyclonal infections in patients. Altogether our results underline the need for sequencing parasite genomes directly in the host samples.Author summary Visceral leishmaniasis (VL) is caused by parasitic protozoa of the Leishmania donovani complex and is lethal in the absence of treatment. Whole Genome Sequencing (WGS) of L. donovani clinical isolates revealed hitherto cryptic population structure in the Indian Sub-Continent and provided insights into the epidemiology and potential mechanisms of drug resistance. However, several biases are likely introduced during the culture step. We report here the development of a method that allows determination of parasite genomes directly in clinical samples, and validate it on bone marrow and splenic aspirates of VL patients in Nepal. Our study sheds a new light on the biology of Leishmania in the human host: we found that intracellular parasites of the patients had very low levels of aneuploidy, in sharp contrast to the situation in cultivated isolates. Moreover, the observed differences in genomes between intracellular amastigotes of the patient and the derived cultured parasites suggests polyclonality of infections, with different clones dominating in clinical samples and in culture, likely due to fitness differences. We believe this method is most suitable for clinical studies and for molecular tracking in the context of elimination programs.