Plasmodium falciparum expresses on the host erythrocyte surface clonally variant antigens and ligands that mediate adherence to endothelial receptors. Both are central to pathogenesis, since they allow chronicity of infection and lead to concentration of infected erythrocytes in cerebral vessels. Here we show that expression of variant antigenic determinants is correlated with expression of individual members of a large, multigene family named var. Each var gene contains copies of a motif that has been previously shown to bind diverse host receptors; expression of a specific var gene correlated with binding to ICAM-1. Thus, our findings are consistent with the involvement of var genes in antigenic variation and binding to endothelium.

Plasmodium vivax and P. falciparum are the major causes of human malaria, except in sub-Saharan Africa where people lack the Duffy blood group antigen, the erythrocyte receptor for P. vivax . Duffy negative human erythrocytes are resistant to invasion by P. vivax and the related monkey malaria, P. knowlesi . Several lines of evidence in the present study indicate that the Duffy blood group antigen is the erythrocyte receptor for the chemokines interleukin-8 (IL-8) and melanoma growth stimulatory activity (MGSA). First, IL-8 binds minimally to Duffy negative erythrocytes. Second, a monoclonal antibody to the Duffy blood group antigen blocked binding of IL-8 and other chemokines to Duffy positive erythrocytes. Third, both MGSA and IL-8 blocked the binding of the parasite ligand and the invasion of human erythrocytes by P. knowlesi , suggesting the possibility of receptor blockade for anti-malarial therapy.

A 175-kilodalton erythrocyte binding protein, EBA-175, of the parasite Plasmodium falciparum mediates the invasion of erythrocytes. The erythrocyte receptor for EBA-175 is dependent on sialic acid. The domain of EBA-175 that binds erythrocytes was identified as region II with the use of truncated portions of EBA-175 expressed on COS cells. Region II, which contains a cysteine-rich motif, and native EBA-175 bind specifically to glycophorin A, but not to glycophorin B, on the erythrocyte membrane. Erythrocyte recognition of EBA-175 requires both sialic acid and the peptide backbone of glycophorin A. The identification of both the receptor and ligand domains may suggest rational designs for receptor blockade and vaccines.

Plasmodium vivax and the related monkey malaria, P. knowlesi, require interaction with the Duffy blood group antigen, a receptor for a family of chemokines that includes interleukin 8, to invade human erythrocytes. One P. vivax and three P. knowlesi proteins that serve as erythrocyte binding ligands in such interactions share sequence homology. Expression of different regions of the P. vivax protein in COS7 cells identified a cysteine-rich domain that bound Duffy blood group-positive but not Duffy blood group-negative human erythrocytes. The homologous domain of the P. knowlesi proteins also bound erythrocytes, but had different specificities. The P. vivax and P. knowlesi binding domains lie in one of two regions of homology with the P. falciparum sialic acid binding protein, another erythrocyte binding ligand, indicating conservation of the domain for erythrocyte binding in evolutionarily distant malaria species. The binding domains of these malaria ligands represent potential vaccine candidates and targets for receptor-blockade therapy.

The invasion of erythrocytes by Plasmodium merozoites requires specific interactions between host receptors and parasite ligands. Parasite proteins that bind erythrocyte receptors during invasion are localized in apical organelles called micronemes and rhoptries. The regulated secretion of microneme and rhoptry proteins to the merozoite surface to enable receptor binding is a critical step in the invasion process. The sequence of these secretion events and the external signals that trigger release are not known. We have used time-lapse video microscopy to study changes in intracellular calcium levels in Plasmodium falciparum merozoites during erythrocyte invasion. In addition, we have developed flow cytometry based methods to measure relative levels of cytosolic calcium and study surface expression of apical organelle proteins in P. falciparum merozoites in response to different external signals. We demonstrate that exposure of P. falciparum merozoites to low potassium ion concentrations as found in blood plasma leads to a rise in cytosolic calcium levels through a phospholipase C mediated pathway. Rise in cytosolic calcium triggers secretion of microneme proteins such as the 175 kD erythrocyte binding antigen (EBA175) and apical membrane antigen-1 (AMA-1) to the merozoite surface. Subsequently, interaction of EBA175 with glycophorin A (glyA), its receptor on erythrocytes, restores basal cytosolic calcium levels and triggers release of rhoptry proteins. Our results identify for the first time the external signals responsible for the sequential release of microneme and rhoptry proteins during erythrocyte invasion and provide a starting point for the dissection of signal transduction pathways involved in regulated exocytosis of these key apical organelles. Signaling pathway components involved in apical organelle discharge may serve as novel targets for drug development since inhibition of microneme and rhoptry secretion can block invasion and limit blood-stage parasite growth.

Abstract The development of effective malaria vaccines and immune biomarkers of malaria is a high priority for malaria control and elimination. Ags expressed by merozoites of Plasmodium falciparum are likely to be important targets of human immunity and are promising vaccine candidates, but very few Ags have been studied. We developed an approach to assess Ab responses to a comprehensive repertoire of merozoite proteins and investigate whether they are targets of protective Abs. We expressed 91 recombinant proteins, located on the merozoite surface or within invasion organelles, and screened them for quality and reactivity to human Abs. Subsequently, Abs to 46 proteins were studied in a longitudinal cohort of 206 Papua New Guinean children to define Ab acquisition and associations with protective immunity. Ab responses were higher among older children and those with active parasitemia. High-level Ab responses to rhoptry and microneme proteins that function in erythrocyte invasion were identified as being most strongly associated with protective immunity compared with other Ags. Additionally, Abs to new or understudied Ags were more strongly associated with protection than were Abs to current vaccine candidates that have progressed to phase 1 or 2 vaccine trials. Combinations of Ab responses were identified that were more strongly associated with protective immunity than responses to their single-Ag components. This study identifies Ags that are likely to be key targets of protective human immunity and facilitates the prioritization of Ags for further evaluation as vaccine candidates and/or for use as biomarkers of immunity in malaria surveillance and control.

SUMMARY The uptake and digestion of host hemoglobin by malaria parasites during blood stage growth leads to significant oxidative damage of membrane lipids. Repair of lipid peroxidation damage is crucial for parasite survival. Here, we demonstrate that Plasmodium falciparum imports a host antioxidant enzyme, peroxiredoxin 6 (PRDX6), during hemoglobin uptake from the red blood cell cytosol. PRDX6 is a lipid peroxidation repair enzyme with phospholipase A 2 (PLA 2 ) activity. Inhibition of PRDX6 with a PLA 2 inhibitor, Darapladib, increases lipid peroxidation damage in the parasite and disrupts transport of hemoglobin-containing vesicles to the food vacuole, causing parasite death. Furthermore, inhibition of PRDX6 synergistically reduces the survival of artemisinin-resistant parasites following co-treatment of parasite cultures with artemisinin and Darapladib. Thus, PRDX6 is a unique host-derived drug target for development of antimalarial drugs that could help overcome artemisinin resistance. GRAPHICAL ABSTRACT

ABSTRACT Coinfection with Plasmodium falciparum and helminths may impact the immune response to these parasites since they induce different immune profiles. We studied the effects of coinfections on the antibody profile in a cohort of 715 Mozambican children and adults using the Luminex technology with a panel of 16 antigens from P. falciparum and 11 antigens from helminths ( Ascaris lumbricoides , hookworm, Trichuris trichiura , Strongyloides stercoralis and Schistosoma spp.) and measured antigen-specific IgG and total IgE responses. We compared the antibody profile between groups defined by P. falciparum and helminth previous exposure (based on serology) and/or current infection (determined by microscopy and/or qPCR). In multivariable regression models adjusted by demographic, socioeconomic, water and sanitation variables, individuals exposed/infected with P. falciparum and helminths had significantly higher total IgE and antigen-specific IgG levels, magnitude (sum of all levels) and breadth of response to both types of parasites compared to individuals exposed/infected with only one type of parasite (p≤ 0.05). There was a positive association between exposure/infection to P. falciparum and exposure/infection to helminths or the number of helminth species, and vice versa (p≤ 0.001). In addition, children coexposed/coinfected tended (p= 0.062) to have higher P. falciparum parasitemia than those single exposed/infected. Our results suggest that an increase in the antibody responses in coexposed/coinfected individuals may reflect higher exposure and be due to a more permissive immune environment to infection in the host. GRAPHICAL ABSTRACT

Abstract Multiplexed bead-based assays that use Luminex xMAP ® technology have become popular for measuring antibodies against proteins of interest in many fields, including malaria and more recently SARS-CoV-2/COVID-19. There are currently two formats that are widely used: non-magnetic beads or magnetic beads. Data is lacking regarding the comparability of results obtained using these two types of beads, and for assays run on different instruments. Whilst non-magnetic beads can only be run on flow-based instruments (such as the Luminex ® 100/200™ or Bio-Plex ® 200), magnetic beads can be run on both these and the newer MAGPIX ® instruments. In this study we utilized a panel of purified recombinant Plasmodium vivax proteins and samples from malaria-endemic areas to measure P. vivax -specific IgG responses using different combinations of beads and instruments. We directly compared: i) non-magnetic versus magnetic beads run on a Bio-Plex ® 200, ii) magnetic beads run on the Bio-Plex ® 200 versus MAGPIX ® and iii) non-magnetic beads run on a Bio-Plex ® 200 versus magnetic beads run on the MAGPIX ® . We also performed an external validation of our optimized assay. We observed that IgG antibody responses, measured against our panel of P. vivax proteins, were strongly correlated in all three of our comparisons, however higher amounts of protein were required for coupling to magnetic beads. Our external validation indicated that results generated in different laboratories using the same coupled beads are also highly comparable, particularly if a reference standard curve is used.

Abstract Plasmodium vivax is the dominant Plasmodium spp. causing the disease malaria in low-transmission regions outside of Africa. These regions often feature high proportions of asymptomatic patients with sub-microscopic parasitaemia and relapses. Naturally acquired antibody responses are induced after Plasmodium infection, providing partial protection against high parasitaemia and clinical episodes. However, previous work has failed to address the presence and maintenance of such antibody responses to P. vivax particularly in low-transmission regions. We followed 34 patients in western Thailand after symptomatic P. vivax infections to monitor antibody kinetics over 9 months, during which no recurrent infections occurred. We assessed total IgG, IgG subclass and IgM levels to up to 52 P. vivax proteins every 2-4 weeks using a multiplexed Luminex ® assay, and identified protein-specific variation in antibody longevity. Generally, an increase in antibody level was observed within 1-week post symptomatic infection, followed by an exponential decay of different rates. We observed mostly IgG1 dominance and IgG3 sub-dominance in this population. IgM responses followed similar kinetic patterns to IgG, with some proteins unexpectedly inducing long-lived IgM responses. We also monitored antibody responses against 27 IgG-immunogenic antigens in 30 asymptomatic individuals from a similar region. Our results demonstrate that most antigens induced robust and long-lived total IgG responses following asymptomatic infections in the absence of (detected) boosting infections. Our work provides new insights into the development and maintenance of naturally acquired immunity to P. vivax and will guide the potential use of serology to indicate immune status and/or identify populations at risk.