Abstract Plasmodium falciparum pathology is driven by the accumulation of parasite-infected erythrocytes in microvessels. This process is mediated by the parasite’s polymorphic erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1) adhesion proteins. A subset of PfEMP1 variants that bind human endothelial protein C receptor (EPCR) through their CIDRα1 domains is responsible for severe malaria pathogenesis. A longstanding question is whether individual antibodies can recognize the large repertoire of circulating PfEMP1 variants. Here, we describe two broadly reactive and binding-inhibitory human monoclonal antibodies against CIDRα1. The antibodies isolated from two different individuals exhibited a similar and consistent EPCR-binding inhibition of 34 CIDRα1 domains, representing five of the six subclasses of CIDRα1. Both antibodies inhibited EPCR binding of both recombinant full-length and native PfEMP1 proteins as well as parasite sequestration in bioengineered 3D brain microvessels under physiologically relevant flow conditions. Structural analyses of the two antibodies in complex with two different CIDRα1 antigen variants reveal similar binding mechanisms that depend on interactions with three highly conserved amino acid residues of the EPCR-binding site in CIDRα1. These broadly reactive antibodies likely represent a common mechanism of acquired immunity to severe malaria and offer novel insights for the design of a vaccine or treatment targeting severe malaria.

ABSTRACT Protection against Plasmodium falciparum , which is primarily antibody-mediated, requires recurrent exposure to develop. The study of both naturally acquired limited immunity and vaccine induced protection against malaria remains critical for ongoing eradication efforts. Towards this goal, we deployed a customized P. falciparum PhIP-seq T7 phage display library containing 238,068 tiled 62-amino acid peptides, covering all known coding regions, including antigenic variants, to systematically profile antibody targets in 198 Ugandan children and adults from high and moderate transmission settings. Repeat elements – short amino acid sequences repeated within a protein – were significantly enriched in antibody targets. While breadth of responses to repeat-containing peptides was twofold higher in children living in the high versus moderate exposure setting, no such differences were observed for peptides without repeats, suggesting that antibody responses to repeat-containing regions may be more exposure dependent and/or less durable in children than responses to regions without repeats. Additionally, short motifs associated with seroreactivity were extensively shared among hundreds of antigens, potentially representing cross- reactive epitopes. PfEMP1 shared motifs with the greatest number of other antigens, partly driven by the diversity of PfEMP1 sequences. These data suggest that the large number of repeat elements and potential cross-reactive epitopes found within antigenic regions of P. falciparum could contribute to the inefficient nature of malaria immunity.

Abstract Atypical B cells are a population of activated B cells that are commonly enriched in individuals with chronic immune activation, but are also part of a normal immune response to infection or vaccination. Prior studies to determine the function of these cells have yielded conflicting results, possibly due to functional heterogeneity among this B cell population. To better define the role(s) of atypical B cells in the host adaptive immune response, we performed single-cell sequencing of transcriptomes, cell surface markers, and B cell receptors in individuals with chronic Plasmodium falciparum exposure, a condition known to lead to accumulation of circulating atypical B cells. Our studies identified three previously uncharacterized populations of atypical B cells with distinct transcriptional and functional profiles, that separate into two differentiation pathways. We identified a set of cell surface markers to distinguish these atypical B cell subsets and confirmed their presence in malaria-experienced children and adults using flow cytometry. Plasmodium falciparum -specific cells were present in equal proportions within each of these atypical B cell populations, indicating that all three subsets develop in response to antigen stimulation. However, we observed marked differences among the three subsets in their ability to produce IgG upon T-cell-dependent activation. Collectively, our findings help explain the conflicting observations in prior studies on the functions of atypical B cells and provide a better understanding of their role in the adaptive immune response in chronic inflammatory conditions. One sentence summary Atypical B cells consist of three subsets that may play distinct roles in the host adaptive immune response.

Abstract Understanding how immunity to malaria is affected by declining transmission is important to aid vaccine design and understand disease resurgence. Both IgG subclasses and avidity of antigen-specific responses are important components of an effective immune response. Using a multiplex bead array assay, we measured the total IgG, IgG subclasses, and avidity profiles of responses to 18 P. falciparum blood stage antigens in samples from 160 Ugandans collected at 2 time points during high malaria transmission and 2 time points following a dramatic reduction in transmission. Results demonstrated that, for the antigens tested, (i) the rate of decay of total IgG following infection declined with age and was driven consistently by the decrease in IgG3 and occasionally the decrease in IgG1; (ii) the proportion of IgG3 relative to IgG1 in the absence of infection increased with age; (iii) the increase in avidity index (the strength of association between the antibody and antigen) following infection was largely due to a rapid loss of non-avid compared to avid total IgG; and (iv) both avid and non-avid total IgG in the absence of infection increased with age. Further studies are required to understand the functional differences between IgG1 and IgG3 in order to determine their contribution to the longevity of protective immunity to malaria. Measuring changes in antibody avidity may be a better approach of detecting affinity maturation compared to avidity index due to the differential expansion and contraction of high and low avidity total IgG.

Abstract Targeted amplicon sequencing is a powerful and efficient tool to interrogate the P . falciparum genome and generate actionable data from infections to complement traditional malaria epidemiology. For maximum impact, genomic tools should be multi-purpose, robust, sensitive and reproducible. We developed, characterized, and implemented MAD 4 HatTeR, an amplicon sequencing panel based on Multiplex Amplicons for Drug, Diagnostic, Diversity, and Differentiation Haplotypes using Targeted Resequencing, along with a bioinformatic pipeline for data analysis. MAD 4 HatTeR targets 165 highly diverse loci, focusing on multiallelic microhaplotypes; key markers for drug and diagnostic resistance, including duplications and deletions; and csp and potential vaccine targets. In addition, it can detect non- falciparum Plasmodium species. We used laboratory control and field sample data to demonstrate the high sensitivity and robustness of the panel. The successful implementation of this method in five laboratories, including three in malaria-endemic African countries, showcases its feasibility in generating reproducible data across laboratories. Finally, we introduce an analytical approach to detect gene duplications and deletions from amplicon sequencing data. MAD 4 HatTeR is thus a powerful research tool and a robust resource for malaria public health surveillance and control.

Malaria immunity is complex and multi-faceted, and fundamental gaps remain in our understanding of how it develops. Here, we use detailed clinical and entomological data from three parallel cohort studies conducted across the malaria transmission spectrum in Uganda to quantify the development of immunity against symptomatic Plasmodium falciparum as a function of age and transmission intensity. We focus on: anti-parasite immunity (i.e; ability to control parasite densities) and anti-disease immunity (i.e; ability to tolerate higher parasite densities without fever). Our findings suggest a strong effect of age on both types of immunity, that remains significant after adjusting for cumulative exposure. They also show a non-linear effect of transmission intensity, where children experiencing the lowest transmission appear to develop immunity faster than those experiencing higher transmission. These findings illustrate how anti-parasite and anti-disease immunity develop in parallel, reducing the probability of experiencing symptomatic malaria upon each subsequent P. falciparum infection.

Abstract The evaluation of protein antigens as putative serologic biomarkers of infection has increasingly shifted to high-throughput, multiplex approaches such as the protein microarray. In vitro transcription/translation (IVTT) systems – a similarly high-throughput protein expression method – are already widely utilised in the production of protein microarrays, though purified recombinant proteins derived from more traditional whole cell based expression systems also play an important role in biomarker characterisation. Here we have performed a side-by-side comparison of antigen-matched protein targets from an IVTT and purified recombinant system, on the same protein microarray. The magnitude and range of antibody responses to purified recombinants was found to be greater than that of IVTT proteins, and responses between targets from different expression systems did not clearly correlate. However, responses between amino acid sequence-matched targets from each expression system were more closely correlated. Despite the lack of a clearly defined relationship between antigen-matched targets produced in each expression system, our data indicate that protein microarrays produced using either method can be used confidently, in a context dependent manner, though care should be taken when comparing data derived from contrasting approaches. Statement of significance of the study Protein microarray technology is increasingly being realised as a powerful tool in disease biomarker identification. Protein-based, serologic arrays are already well utilised in the characterisation of antibody responses to the malarial Plasmodium spp. , drastically improving throughput and efficiency compared to more typical experimental assays. Such approaches have commonly made use of in vitro transcription/translation (IVTT) protein expression systems, though other protein expression methods are regularly employed. In this study we have directly compared antibody responses in a malaria endemic population, to matched protein antigens derived from both an IVTT and purified bacterial recombinant system in the same protein microarray. We demonstrated that the magnitude of measured antibody response to matched protein antigens tends to be greater to purified recombinants, rather than IVTT products. Further, our analysis showed highly variable levels of correlation of response between antigen-matched targets derived from each expression system, although relationships in antibody response were stronger between proteins with overlapping amino acid sequences. This study highlights the importance of considering the strengths and weaknesses of each expression system in the context of a protein microarray according to experimental hypotheses, and illustrates the need for attention when comparing data generated by these different methodologies.

Abstract Memory B cells (MBCs) and plasma antibodies against Plasmodium falciparum merozoite antigens are important components of the protective immune response against malaria. To gain understanding of how responses against P. falciparum develop in these two arms of the humoral immune system, we evaluated MBC and antibody responses against the most abundant merozoite antigen, merozoite surface protein 1 (MSP1), in individuals from a region in Uganda with high P. falciparum transmission. Our results showed that MSP1-specific B cells in adults with immunological protection against malaria were predominantly IgG + classical MBCs, while children with incomplete protection mainly harbored IgM + MSP1-specific classical MBCs. In contrast, anti-MSP1 plasma IgM reactivity was minimal in both children and adults. Instead, both groups showed high plasma IgG reactivity against MSP1 and whole merozoites, with broadening of the response against non-3D7 strains in adults. The antibodies encoded by MSP1-specific IgG + MBCs carried high levels of amino acid substitutions and recognized relatively conserved epitopes on the highly variable MSP1 protein. Proteomics analysis of MSP1 19 -specific IgG in plasma of an adult revealed a limited repertoire of anti-MSP1 antibodies, most of which were IgG 1 or IgG 3 . Similar to MSP1- specific MBCs, anti-MSP1 IgGs had relatively high levels of amino acid substitutions and their sequences were predominantly found in classical MBCs, not atypical MBCs. Collectively, these results showed evolution of the MSP1-specific humoral immune response with cumulative P. falciparum exposure, with a shift from IgM + to IgG + B cell memory, diversification of B cells from germline, and stronger recognition of MSP1 variants by the plasma IgG repertoire.

ABSTRACT T-follicular helper (Tfh) cells are key drivers of antibodies that protect from malaria. However, little is known regarding the host and parasite factors that influence Tfh and functional antibody development. Here, we use samples from a large cross-sectional study of children residing in an area of high malaria transmission in Uganda to characterize Tfh cells and functional antibodies to multiple parasites stages. We identify a dramatic re-distribution of the Tfh cell compartment with age that is independent of malaria exposure, with Th2-Tfh cells predominating in early childhood, while Th1-Tfh cell gradually increase to adult levels over the first decade of life. Functional antibody acquisition is age-dependent and hierarchical acquired based on parasite stage, with merozoite responses followed by sporozoite and gametocyte antibodies. Antibodies were boosted in children with current infection, and were higher in females. The children with the very highest antibody levels had increased Tfh cell activation and proliferation, consistent with a key role of Tfh cells in antibody development. Together, these data reveal a complex relationship between the circulating Tfh compartment, antibody development and protection from malaria.

The global prevalence of resistance to antiviral drugs combined with antiretroviral therapy (cART) emphasizes the need for continuous monitoring to better understand the dynamics of drug-resistant mutations to guide treatment optimization and patient management as well as check the spread of resistant viral strains. We have recently integrated next-generation sequencing (NGS) into routine HIV drug resistance (HIVDR) monitoring, with key challenges in the bioinformatic analysis and interpretation of the complex data generated, while ensuring data security and privacy for patient information. To address these challenges, here we present HIV-DRIVES (HIV Drug Resistance Identification, Variant Evaluation, and Surveillance), an NGS-HIVDR bioinformatics pipeline that has been developed and validated using Illumina short reads, FASTA, and Sanger