Dominic Kwiatkowski and colleagues report a large multicenter genome-wide association study of Plasmodium falciparum resistance to artemisinin. They identify markers of a genetic background on which kelch13 mutations conferring artemisinin resistance are likely to emerge. We report a large multicenter genome-wide association study of Plasmodium falciparum resistance to artemisinin, the frontline antimalarial drug. Across 15 locations in Southeast Asia, we identified at least 20 mutations in kelch13 (PF3D7_1343700) affecting the encoded propeller and BTB/POZ domains, which were associated with a slow parasite clearance rate after treatment with artemisinin derivatives. Nonsynonymous polymorphisms in fd (ferredoxin), arps10 (apicoplast ribosomal protein S10), mdr2 (multidrug resistance protein 2) and crt (chloroquine resistance transporter) also showed strong associations with artemisinin resistance. Analysis of the fine structure of the parasite population showed that the fd, arps10, mdr2 and crt polymorphisms are markers of a genetic background on which kelch13 mutations are particularly likely to arise and that they correlate with the contemporary geographical boundaries and population frequencies of artemisinin resistance. These findings indicate that the risk of new resistance-causing mutations emerging is determined by specific predisposing genetic factors in the underlying parasite population.

Next-generation sequencing is used here to analyse Plasmodium falciparum genome variation directly from clinical blood samples, as well as cultured isolates, from Africa, Asia and Oceania. Resistance to the major antimalarial drug artemisinin is emerging in the Plasmodium falciparum parasite across Southeast Asia, and there is concern that the increased deployment of antimalarials in pursuit of disease eradication might simply lead to increased drug resistance. To monitor these risks it is important to survey the parasite population for genetic changes. Next-generation sequencing is used here to analyse P. falciparum genome variation directly from nearly 300 clinical blood samples, and from cultured isolates from Africa, Asia and Oceania. The authors use these data to analyse the diversity of the parasite population across different geographical locations, as well as within-host diversity at the level of the whole genome, and they show how this may be used to estimate inbreeding rates, which are important for the evolution of drug resistance. Malaria elimination strategies require surveillance of the parasite population for genetic changes that demand a public health response, such as new forms of drug resistance1,2. Here we describe methods for the large-scale analysis of genetic variation in Plasmodium falciparum by deep sequencing of parasite DNA obtained from the blood of patients with malaria, either directly or after short-term culture. Analysis of 86,158 exonic single nucleotide polymorphisms that passed genotyping quality control in 227 samples from Africa, Asia and Oceania provides genome-wide estimates of allele frequency distribution, population structure and linkage disequilibrium. By comparing the genetic diversity of individual infections with that of the local parasite population, we derive a metric of within-host diversity that is related to the level of inbreeding in the population. An open-access web application has been established for the exploration of regional differences in allele frequency and of highly differentiated loci in the P. falciparum genome.

Dominic Kwiatkowski and colleagues report analysis of genetic variation in 826 Plasmodium falciparum samples collected from 10 locations in West Africa and southeast Asia. They characterize the population structure of this parasite in Cambodia and find evidence for multiple distinct subpopulations showing high levels of genetic differentiation and artemisinin resistance. We describe an analysis of genome variation in 825 P. falciparum samples from Asia and Africa that identifies an unusual pattern of parasite population structure at the epicenter of artemisinin resistance in western Cambodia. Within this relatively small geographic area, we have discovered several distinct but apparently sympatric parasite subpopulations with extremely high levels of genetic differentiation. Of particular interest are three subpopulations, all associated with clinical resistance to artemisinin, which have skewed allele frequency spectra and high levels of haplotype homozygosity, indicative of founder effects and recent population expansion. We provide a catalog of SNPs that show high levels of differentiation in the artemisinin-resistant subpopulations, including codon variants in transporter proteins and DNA mismatch repair proteins. These data provide a population-level genetic framework for investigating the biological origins of artemisinin resistance and for defining molecular markers to assist in its elimination.

Mutations in the Plasmodium falciparum K13-propeller domain have recently been shown to be important determinants of artemisinin resistance in Southeast Asia. This study investigated the prevalence of K13-propeller polymorphisms across sub-Saharan Africa. A total of 1212 P. falciparum samples collected from 12 countries were sequenced. None of the K13-propeller mutations previously reported in Southeast Asia were found, but 22 unique mutations were detected, of which 7 were nonsynonymous. Allele frequencies ranged between 1% and 3%. Three mutations were observed in >1 country, and the A578S was present in parasites from 5 countries. This study provides the baseline prevalence of K13-propeller mutations in sub-Saharan Africa.

Abstract Malaria is a global public health priority causing over 600,000 deaths annually, mostly young children living in Sub-Saharan Africa. Molecular surveillance can provide key information for malaria control, such as the prevalence and distribution of antimalarial drug resistance. However, genome sequencing capacity in endemic countries can be limited. Here, we have implemented an end-to-end workflow for P. falciparum genomic surveillance in Ghana using Oxford Nanopore Technologies, targeting antimalarial resistance markers and the leading vaccine antigen circumsporozoite protein ( csp ). The workflow was rapid, robust, accurate, affordable and straightforward to implement, and could be deployed using readily collected dried blood spot samples. We found that P. falciparum parasites in Ghana had become largely susceptible to chloroquine, with persistent sulfadoxine-pyrimethamine (SP) resistance, and no evidence of artemisinin resistance. Multiple Single Nucleotide Polymorphism (SNP) differences from the vaccine csp sequence were identified, though their significance is uncertain. This study demonstrates the potential utility and feasibility of malaria genomic surveillance in endemic settings using Nanopore sequencing.

ABSTRACT The population structure of the malaria parasite Plasmodium falciparum can reveal underlying demographic and adaptive evolutionary processes. Here, we analyse population structure in 4,376 P. falciparum genomes from 21 countries across Africa. We identified a strongly differentiated cluster of parasites, comprising ∼1.2% of samples analysed, geographically distributed over 13 countries across the continent. Members of this cluster, named AF1, carry a genetic background consisting of a large number of highly differentiated variants, rarely observed outside this cluster, at a multitude of genomic loci distributed across most chromosomes. At these loci, the AF1 haplotypes appear to have common ancestry, irrespective of the sampling location; outside the shared loci, however, AF1 members are genetically similar to their sympatric parasites. AF1 parasites sharing up to 23 genomic co-inherited regions were found in all major regions of Africa, at locations over 7,000 km apart. We coined the term cryptotype to describe a complex common background which is geographically widespread, but concealed by genomic regions of local origin. Most AF1 differentiated variants are functionally related, comprising structural variations and single nucleotide polymorphisms in components of the MSP1 complex and several other genes involved in interactions with red blood cells, including invasion and erythrocyte antigen export. We propose that AF1 parasites have adapted to some as yet unidentified evolutionary niche, by acquiring a complex compendium of interacting variants that rarely circulate separately in Africa. As the cryptotype spread across the continent, it appears to have been maintained mostly intact in spite of recombination events, suggesting a selective advantage. It is possible that other cryptotypes circulate in Africa, and new analysis methods may be needed to identify them.

The SARS-CoV-2 genome occupies a unique place in infection biology - it is the most highly sequenced genome on earth (making up over 20% of public sequencing datasets) with fine scale information on sampling date and geography, and has been subject to unprecedented intense analysis. As a result, these phylogenetic data are an incredibly valuable resource for science and public health. However, the vast majority of the data was sequenced by tiling amplicons across the full genome, with amplicon schemes that changed over the pandemic as mutations in the viral genome interacted with primer binding sites. In combination with the disparate set of genome assembly workflows and lack of consistent quality control (QC) processes, the current genomes have many systematic errors that have evolved with the virus and amplicon schemes. These errors have significant impacts on the phylogeny, and therefore over the last few years, many thousands of hours of researchers time has been spent in "eyeballing" trees, looking for artefacts, and then patching the tree. Given the huge value of this dataset, we therefore set out to reprocess the complete set of public raw sequence data in a rigorous amplicon-aware manner, and build a cleaner phylogeny. Here we provide a global tree of 3,960,704 samples, built from a consistently assembled set of high quality consensus sequences from all available public data as of March 2023, viewable at https://viridian.taxonium.org. Each genome was constructed using a novel assembly tool called Viridian (https://github.com/iqbal-lab-org/viridian), developed specifically to process amplicon sequence data, eliminating artefactual errors and mask the genome at low quality positions. We provide simulation and empirical validation of the methodology, and quantify the improvement in the phylogeny. Phase 2 of our project will address the fact that the data in the public archives is heavily geographically biased towards the Global North. We therefore have contributed new raw data to ENA/SRA from many countries including Ghana, Thailand, Laos, Sri Lanka, India, Argentina and Singapore. We will incorporate these, along with all public raw data submitted between March 2023 and the current day, into an updated set of assemblies, and phylogeny. We hope the tree, consensus sequences and Viridian will be a valuable resource for researchers.

Abstract Background Pf AP2-EXP2 is located within chromosome 6 of Plasmodium falciparum recently identified to be undergoing an extensive selective sweep in West African isolates. The gene encoding this transcription factor, Pf AP2-EXP2, is essential and thus likely subject to purifying selection that limits variants in the parasite population despite its genomic location. Methods 72 Plasmodium falciparum field samples and 801 clinical sequences from the Pf6 MalariaGEN dataset of Ghanaian origin, were integrated and analysed. Results A total of 14 single nucleotide variants of which 5 were missense variants, were identified after quality checks and filtering. Except for one, all identified variants were rare among the clinical samples obtained in this study (Minor allelic frequency < 0.01). Further results revealed a considerably low dN/dS value (0.208) suggesting the presence of purifying selection. Further, all the mutant amino acids were wildtype residues in AP2-EXP2 orthologous proteins—tentatively suggesting a genus-level conservation of amino acid residues. Computational analysis and predictions corroborated these findings. Conclusions Despite the recent extensive selective sweep within chromosome 6 of West African isolates, Pf AP2-EXP2 of Ghanaian origin exhibits low nucleotide diversity and very low dN/dS consistent with purifying selection acting to maintain the function of an essential gene. The conservation of AP2-EXP2 is an important factor that makes it a potential drug target. Graphical Abstract