Malaria caused by Plasmodium falciparum is a disease that is responsible for 880,000 deaths per year worldwide. Vaccine development has proved difficult and resistance has emerged for most antimalarial drugs. To discover new antimalarial chemotypes, we have used a phenotypic forward chemical genetic approach to assay 309,474 chemicals. Here we disclose structures and biological activity of the entire library—many of which showed potent in vitro activity against drug-resistant P. falciparum strains—and detailed profiling of 172 representative candidates. A reverse chemical genetic study identified 19 new inhibitors of 4 validated drug targets and 15 novel binders among 61 malarial proteins. Phylochemogenetic profiling in several organisms revealed similarities between Toxoplasma gondii and mammalian cell lines and dissimilarities between P. falciparum and related protozoans. One exemplar compound displayed efficacy in a murine model. Our findings provide the scientific community with new starting points for malaria drug discovery. There are still nearly 250 million malaria cases reported annually, over 800,000 fatal, with most deaths being children under 5. The malaria parasite Plasmodium falciparum is notoriously adept at developing drug resistance, and new drugs are urgently needed. Two reports raise hopes that alternatives to artemisinins might be found, by identifying thousands of compounds inhibiting the growth of P. falciparum asexual-stage parasites in red blood cells, many distinct in structure and mechanism from current drugs. Guiguemde et al. present a chemical genomics screen of over 300,000 compounds: the 1,300 'hits' include 561 with good potency and broad therapeutic windows. Gamo et al. screened nearly 2 million compounds from GlaxoSmithKline's chemicals library, finding over 13,500 hits, many active against multidrug-resistant isolates. These studies provide a rich source of potential leads, freely available to academic and industry labs looking for new antimalarials. Here, a library of more than 300,000 chemicals was screened for activity against Plasmodium falciparum growing in red blood cells. Of these chemicals, 172 representative candidates were profiled in detail; one exemplar compound showed efficacy in a mouse model of malaria. The findings provide the scientific community with new starting points for drug discovery.

Plasmodium and dengue virus, the causative agents of the two most devastating vector-borne diseases, malaria and dengue, are transmitted by the two most important mosquito vectors, Anopheles gambiae and Aedes aegypti, respectively. Insect-bacteria associations have been shown to influence vector competence for human pathogens through multi-faceted actions that include the elicitation of the insect immune system, pathogen sequestration by microbes, and bacteria-produced anti-pathogenic factors. These influences make the mosquito microbiota highly interesting from a disease control perspective. Here we present a bacterium of the genus Chromobacterium (Csp_P), which was isolated from the midgut of field-caught Aedes aegypti. Csp_P can effectively colonize the mosquito midgut when introduced through an artificial nectar meal, and it also inhibits the growth of other members of the midgut microbiota. Csp_P colonization of the midgut tissue activates mosquito immune responses, and Csp_P exposure dramatically reduces the survival of both the larval and adult stages. Ingestion of Csp_P by the mosquito significantly reduces its susceptibility to Plasmodium falciparum and dengue virus infection, thereby compromising the mosquito's vector competence. This bacterium also exerts in vitro anti-Plasmodium and anti-dengue activities, which appear to be mediated through Csp_P -produced stable bioactive factors with transmission-blocking and therapeutic potential. The anti-pathogen and entomopathogenic properties of Csp_P render it a potential candidate for the development of malaria and dengue control strategies.

Abstract The complex life cycle of Plasmodium falciparum requires coordinated gene expression regulation to allow host cell invasion, transmission, and immune evasion. However, this cascade of transcripts is unlikely to be regulated by the limited number of identified parasite-specific transcription factors. Increasing evidence now suggests a major role for epigenetic mechanisms in gene expression in the parasite. In eukaryotes, many lncRNAs have been identified and shown to be pivotal regulators of genome structure and gene expression. To investigate the regulatory roles of lncRNAs in P. falciparum we explored the intergenic lncRNA distribution in nuclear and cytoplasmic subcellular locations. Using nascent RNA expression profiles, we identified a total of 1,768 lncRNAs, of which 58% were identified as novel lncRNAs in P. falciparum . The subcellular localization and stage-specific expression of several putative lncRNAs were validated using RNA fluorescence in situ hybridization (RNA-FISH). Additionally, the genome-wide occupancy of several candidate nuclear lncRNAs was explored using Chromatin Isolation by RNA Purification (ChIRP). ChIRP-seq of candidate lncRNAs revealed that lncRNA occupancy sites within the parasite genome are focal and sequence-specific with a particular enrichment for several parasite-specific gene families, including those involved in pathogenesis, erythrocyte remodeling, and regulation of sexual differentiation. We further validated the function of one specific lncRNA (lncRNA-ch14) using the CRISPR-Cas9 genome editing tool. Genomic and phenotypic analysis of the △lncRNA-ch14 line demonstrated the importance of this lncRNA in sexual differentiation and sexual reproduction. Our findings bring a new level of insight into the role of lncRNAs in pathogenicity, gene regulation and sexual differentiation. These findings also open new avenues for targeted approaches towards therapeutic strategies against the deadly malaria parasite.

Vector-borne diseases are a leading cause of death worldwide and pose a substantial unmet medical need. Pathogens binding to host extracellular proteins (the "exoproteome") represents a crucial interface in the etiology of vector-borne disease. Here, we used bacterial selection to elucidate host-microbe interactions in high throughput (BASEHIT)—a technique enabling interrogation of microbial interactions with 3,324 human exoproteins—to profile the interactomes of 82 human-pathogen samples, including 30 strains of arthropod-borne pathogens and 8 strains of related non-vector-borne pathogens. The resulting atlas revealed 1,303 putative interactions, including hundreds of pairings with potential roles in pathogenesis, including cell invasion, tissue colonization, immune evasion, and host sensing. Subsequent functional investigations uncovered that Lyme disease spirochetes recognize epidermal growth factor as an environmental cue of transcriptional regulation and that conserved interactions between intracellular pathogens and thioredoxins facilitate cell invasion. In summary, this interactome atlas provides molecular-level insights into microbial pathogenesis and reveals potential host-directed targets for next-generation therapeutics.

Abstract As the malaria parasite becomes resistant to every drug that we develop, identification and development of novel drug candidates is essential. Many studies have screened compounds designed to target the clinically important blood stages. However, if we are to shrink the malaria map, new drugs that block transmission of the parasite are needed. Sporozoites are the infective stage of the malaria parasite, transmitted to the mammalian host as mosquitoes probe for blood. Sporozoite motility is critical to their ability to exit the inoculation site and establish infection and drug-like compounds targeting motility are effective in blocking infection in the rodent malaria model. In this study, we established a moderate throughput motility assay for sporozoites of the human malaria parasite Plasmodium falciparum , enabling us to screen the 400 drug-like compounds from the Pathogen box provided by Medicines for Malaria Venture for their activity. Compounds exhibiting inhibitory effects on P. falciparum sporozoite motility were further assessed against transmission-blocking activity and asexual stage growth. Five compounds had a significant inhibitory effect on P. falciparum sporozoite motility at 1 μM concentration and four of these compounds also showed significant inhibition on transmission of P. falciparum gametocytes to the mosquito and of these four, three had previously been shown to have inhibitory activity on asexual blood stage parasites. Our findings provide new antimalarial drug candidates that have multi-stage activity.

Abstract Malaria transmission-blocking vaccines (TBVs) are a critical tool for disease elimination. TBVs prevent completion of the developmental lifecycle of malarial parasites within the mosquito vector, effectively blocking subsequent infections. The mosquito midgut protein Anopheline alanyl aminopeptidase N (AnAPN1) is the leading, mosquito-based TBV antigen and structure-function studies have identified two Class II epitopes that induce potent transmission-blocking (T-B) antibodies. Here, we functionally screened new immunogens and down-selected to the UF6b construct that has two glycine-linked copies of the T-B epitopes. We established a process for manufacturing UF6b and evaluated in outbred female CD1 mice the immunogenicity of the preclinical product with the human-safe adjuvant Glucopyranosyl Lipid Adjuvant in a liposomal formulation with saponin QS21 (GLA-LSQ). UF6b:GLA-LSQ was immunogenic and immunofocused the humoral response to one of the key T-B epitopes resulting in potent T-B activity and establishing UF6b as a prime TBV candidate to aid in malaria elimination and eradication efforts.

Drug-resistant Plasmodium falciparum parasites have swept across Southeast Asia and now threaten Africa. By implementing a P. falciparum genetic cross using humanized mice, we report the identification of key determinants of resistance to artemisinin (ART) and piperaquine (PPQ) in the dominant Asian KEL1/PLA1 lineage. We mapped k13 as the central mediator of ART resistance and identified secondary markers. Applying bulk segregant analysis, quantitative trait loci mapping and gene editing, our data reveal an epistatic interaction between mutant PfCRT and multicopy plasmepsins 2/3 in mediating high-grade PPQ resistance. Susceptibility and parasite fitness assays implicate PPQ as a driver of selection for KEL1/PLA1 parasites. Mutant PfCRT enhanced susceptibility to lumefantrine, the first-line partner drug in Africa, highlighting a potential benefit of opposing selective pressures with this drug and PPQ. We also identified that the ABCI3 transporter can operate in concert with PfCRT and plasmepsins 2/3 in mediating multigenic resistance to antimalarial agents.

Rising numbers of malaria cases and deaths underscore the need for new interventions. Long-acting injectable medications, such as those now in use for HIV prophylaxis, offer the prospect of a malaria "chemical vaccine", combining the efficacy of a drug (like atovaquone) with the durability of a biological vaccine. Of concern, however, is the possible selection and transmission of drug-resistant parasites. We addressed this question by generating clinically relevant, highly atovaquone-resistant, Plasmodium falciparum mutants competent to infect mosquitoes. Isogenic paired strains, that differ only by a single Y268S mutation in cytochrome b, were evaluated in parallel in southeast Asian (Anopheles stephensi) or African (Anopheles gambiae) mosquitoes, and thence in humanized mice. Fitness costs of the mutation were evident along the lifecycle, in asexual parasite growth in vitro and in a progressive loss of parasites in the mosquito. In numerous independent experiments, microscopic exam of salivary glands from hundreds of mosquitoes failed to detect even one Y268S sporozoite, a defect not rescued by coinfection with wild type parasites. Furthermore, despite uniformly successful transmission of wild type parasites from An. stephensi to FRG NOD huHep mice bearing human hepatocytes and erythrocytes, multiple attempts with Y268S-fed mosquitoes failed: there was no evidence of parasites in mouse tissues by microscopy, in vitro culture, or PCR. These studies confirm a severe-to-lethal fitness cost of clinically relevant atovaquone-resistant P. falciparum in the mosquito, and they significantly lessen the likelihood of their transmission in the field.

Plasmodium falciparum, the malaria-causing parasite, is a leading cause of infection-induced deaths worldwide. The preferred treatment approach is artemisinin-combination therapy, which couples fast-acting artemisinin derivatives with longer-acting drugs like lumefantrine, mefloquine, and amodiaquine. However, the urgency for new treatments has risen due to the parasite9s growing resistance to existing therapies. Our study shows that a common characteristic of the P. falciparum proteome - stretches of poly-lysine residues such as those found in proteins related to adhesion and pathogenicity - can serve as an effective peptide treatment for infected erythrocytes. A single dose of these poly-basic peptides can successfully diminish parasitemia in human erythrocytes in vitro with minimal toxicity. The effectiveness of the treatment correlates with the length of the poly-lysine peptide, with 30 lysine peptides supporting the eradication of erythrocytic parasites within 72 hours. PEG-ylation of the poly-lysine peptides or utilizing poly-lysine dendrimers and polymers further increases parasite clearance efficiency and bolsters the stability of these potential new therapeutics. Lastly, our affinity pull-downs and mass-spectrometry identify P. falciparum9s outer membrane proteins as likely targets for polybasic peptide medications. Since poly-lysine dendrimers are already FDA-approved for drug delivery, their adaptation as antimalarial drugs presents a promising new therapeutic strategy.