In Plasmodium falciparum-endemic areas, pregnancy-associated malaria (PAM) is an important health problem. The condition is precipitated by accumulation of parasite-infected erythrocytes (IEs) in the placenta, and this process is mediated by parasite-encoded variant surface antigens (VSA) binding to chondroitin sulfate A (CSA). Parasites causing PAM express unique VSA types, VSAPAM, which can be serologically classified as sex specific and parity dependent. It is sex specific because men from malaria-endemic areas do not develop VSAPAM antibodies; it is parity dependent because women acquire anti-VSAPAM immunoglobulin (Ig) G as a function of parity. Previously, it was shown that transcription of var2csa is up-regulated in placental parasites and parasites selected for CSA binding. Here, we show the following: (a) that VAR2CSA is expressed on the surface of CSA-selected IEs; (b) that VAR2CSA is recognized by endemic plasma in a sex-specific and parity-dependent manner; (c) that high anti-VAR2CSA IgG levels can be found in pregnant women from both West and East Africa; and (d) that women with high plasma levels of anti-VAR2CSA IgG give birth to markedly heavier babies and have a much lower risk of delivering low birth weight children than women with low levels.

Endothelial protein C receptor is shown to be the receptor for Plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1 variants associated with severe malaria. Severe childhood malaria, still causing about a million deaths every year, is triggered by the binding of red blood cells infected with the parasite Plasmodium falciparum to the walls of the host's blood vessels. P. falciparum erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1) containing domain cassettes 8 and 13 is known to be associated with severe malaria, and here Thomas Lavstsen and colleagues identify the receptor for PfEMP1 as endothelial protein C receptor (EPCR), a protein involved in regulating blood coagulation and the inflammatory response. This work could help to explain why some episodes of malaria are life-threatening and involve severe inflammation and suggests a target for future antimalarials. Sequestration of Plasmodium falciparum-infected erythrocytes in host blood vessels is a key triggering event in the pathogenesis of severe childhood malaria, which is responsible for about one million deaths every year1. Sequestration is mediated by specific interactions between members of the P. falciparum erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1) family and receptors on the endothelial lining2. Severe childhood malaria is associated with expression of specific PfEMP1 subtypes containing domain cassettes (DCs) 8 and 13 (ref. 3), but the endothelial receptor for parasites expressing these proteins was unknown4,5. Here we identify endothelial protein C receptor (EPCR), which mediates the cytoprotective effects of activated protein C6, as the endothelial receptor for DC8 and DC13 PfEMP1. We show that EPCR binding is mediated through the amino-terminal cysteine-rich interdomain region (CIDRα1) of DC8 and group A PfEMP1 subfamilies, and that CIDRα1 interferes with protein C binding to EPCR. This PfEMP1 adhesive property links P. falciparum cytoadhesion to a host receptor involved in anticoagulation and endothelial cytoprotective pathways, and has implications for understanding malaria pathology and the development of new malaria interventions.

The clinical outcome of Plasmodium falciparum infections ranges from asymptomatic parasitemia to severe malaria syndromes associated with high mortality. The virulence of P. falciparum infections is associated with the type of P. falciparum erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1) expressed on the surface of infected erythrocytes to anchor these to the vascular lining. Although var2csa , the var gene encoding the PfEMP1 associated with placental malaria, was discovered in 2003, the identification of the var /PfEMP1 variants associated with severe malaria in children has remained elusive. To identify var /PfEMP1 variants associated with severe disease outcome, we compared var transcript levels in parasites from 88 children with severe malaria and 40 children admitted to the hospital with uncomplicated malaria. Transcript analysis was performed by RT-quantitative PCR using a set of 42 primer pairs amplifying var subtype-specific loci covering most var /PfEMP1 subtypes. In addition, we characterized the near-full-length sequence of the most prominently expressed var genes in three patients diagnosed with severe anemia and/or cerebral malaria. The combined analysis showed that severe malaria syndromes, including severe anemia and cerebral malaria, are associated with high transcript levels of PfEMP1 domain cassette 8-encoding var genes. Transcript levels of group A var genes, including genes encoding domain cassette 13, were also significantly higher in patients with severe syndromes compared with those with uncomplicated malaria. This study specifies the var /PfEMP1 types expressed in severe malaria in children, and thereby provides unique targets for future efforts to prevent and treat severe malaria infections.

CD36 is a scavenger receptor involved in fatty acid metabolism, innate immunity and angiogenesis. It interacts with lipoprotein particles and facilitates uptake of long chain fatty acids. It is also the most common target of the PfEMP1 proteins of the malaria parasite, Plasmodium falciparum, tethering parasite-infected erythrocytes to endothelial receptors. This prevents their destruction by splenic clearance and allows increased parasitaemia. Here we describe the structure of CD36 in complex with long chain fatty acids and a CD36-binding PfEMP1 protein domain. A conserved hydrophobic pocket allows the hugely diverse PfEMP1 protein family to bind to a conserved phenylalanine residue at the membrane distal tip of CD36. This phenylalanine is also required for CD36 to interact with lipoprotein particles. By targeting a site on CD36 that is required for its physiological function, PfEMP1 proteins maintain the ability to tether to the endothelium and avoid splenic clearance.

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 Sequestration of Plasmodium falciparum -infected erythrocytes to host endothelium through the parasite-derived Pf EMP1 adhesion proteins is central to the development of malaria pathogenesis. Pf EMP1 proteins have diversified and expanded to encompass many sequence variants conferring each parasite a similar array of human endothelial receptor binding phenotypes. Here, we analyzed RNA-seq profiles of parasites isolated from 32 P. falciparum infected adult travelers returning to Germany. Patients were categorized into either malaria naïve (n=15) or pre-exposed (n=17), and into severe (n=8) or non-severe (n=24) cases. For differential expression analysis of Pf EMP1-encoding var gene transcripts were de novo assembled from RNA-seq data and, in parallel, var expressed sequence tags were analyzed and used to predict the encoded domain composition of the transcripts. Both approaches showed in concordance that severe malaria was associated with Pf EMP1 containing the endothelial protein C receptor (EPCR)-binding CIDRα1 domain, whereas CD36-binding Pf EMP1 was linked to non-severe malaria outcomes. First-time infected adults were more likely to develop severe symptoms and tended to be infected for a longer period. Thus, parasites with more pathogenic Pf EMP1 variants are more common in patients with a naïve immune status and/or adverse inflammatory host responses to first infections favors growth of EPCR-binding parasites.

Abstract The sequestration of Plasmodium falciparum- infected erythrocytes to the host endothelium is central to the pathogenesis of malaria. The sequestration is mediated by the parasités diverse Plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1) variants, which bind select human receptors on the endothelium. Severe malaria is associated with PfEMP1 binding human endothelial protein C receptor (EPCR) via their CIDRα1 domains. Antibodies binding and inhibiting across the sequence diverse CIDRα1 domains are likely important in acquired immunity against severe malaria. In this study, we explored if immunization with AP205 bacteriophage capsid-virus-like particles (cVLPs) presenting a mosaic of diverse CIDRα1 protein variants would stimulate broadly reactive and inhibitory antibody responses in mice. Three different mosaic cVLP vaccines each composed of five CIDRα1 protein variants with varying degrees of sequence conservation of residues at and near the EPCR binding site, were tested. All mosaic cVLP vaccines induced functional antibodies comparable to those induced by matched cocktails of cVLPs decorated with the single CIDRα1 variant. No broadly reactive responses were observed. However, the vaccines did induce some cross-reactivity and inhibition within the CIDRα1 subclasses included in the vaccines, demonstrating potential use of the cVLP vaccine platform for the design of multivalent vaccines.

Acquisition of antibodies to Plasmodium falciparum variant surface antigens (VSA) expressed on infected red blood cells (iRBCs) is associated with naturally acquired immunity to malaria. We have previously shown that antibodies to VSA on iRBCs are associated with protection against parasite growth in the context of controlled human malaria infection (CHMI). This study explored whether antibodies to recombinant antigens derived from PfEMP1 domains were independently associated with protection during CHMI in semi-immune Kenyan adults.