Entamoeba histolytica is an intestinal parasite and the causative agent of amoebiasis, which is a significant source of morbidity and mortality in developing countries. Here we present the genome of E. histolytica, which reveals a variety of metabolic adaptations shared with two other amitochondrial protist pathogens: Giardia lamblia and Trichomonas vaginalis. These adaptations include reduction or elimination of most mitochondrial metabolic pathways and the use of oxidative stress enzymes generally associated with anaerobic prokaryotes. Phylogenomic analysis identifies evidence for lateral gene transfer of bacterial genes into the E. histolytica genome, the effects of which centre on expanding aspects of E. histolytica's metabolic repertoire. The presence of these genes and the potential for novel metabolic pathways in E. histolytica may allow for the development of new chemotherapeutic agents. The genome encodes a large number of novel receptor kinases and contains expansions of a variety of gene families, including those associated with virulence. Additional genome features include an abundance of tandemly repeated transfer-RNA-containing arrays, which may have a structural function in the genome. Analysis of the genome provides new insights into the workings and genome evolution of a major human pathogen.

The genome of the eukaryotic protist Giardia lamblia, an important human intestinal parasite, is compact in structure and content, contains few introns or mitochondrial relics, and has simplified machinery for DNA replication, transcription, RNA processing, and most metabolic pathways. Protein kinases comprise the single largest protein class and reflect Giardia's requirement for a complex signal transduction network for coordinating differentiation. Lateral gene transfer from bacterial and archaeal donors has shaped Giardia's genome, and previously unknown gene families, for example, cysteine-rich structural proteins, have been discovered. Unexpectedly, the genome shows little evidence of heterozygosity, supporting recent speculations that this organism is sexual. This genome sequence will not only be valuable for investigating the evolution of eukaryotes, but will also be applied to the search for new therapeutics for this parasite.

Infection by the protozoan parasite Toxoplasma gondii is a major health risk owing to its chronic nature, ability to reactivate to cause blindness and encephalitis, and high prevalence in human populations. Like nearly all eukaryotes, Toxoplasma glycosylates many of its proteins and lipids and assembles polysaccharides. Unlike most eukaryotes, Toxoplasma divides and differentiates in vacuoles within host cells. While their glycans resemble canonical models, they exhibit species-specific variations that have inhibited deeper investigations into their roles in parasite biology and virulence. The genome of Toxoplasma encodes a suite of likely glycogenes expected to assemble a range of N-glycans, O-glycans, a C-glycan, GPI-anchors, and polysaccharides, along with their requisite precursors and membrane transporters. To facilitate genetic approaches to investigate the roles of specific glycans, we mapped probable connections between 59 glycogenes, their enzyme products, and the glycans to which they contribute. We adapted a double-CRISPR/Cas9 strategy and a mass spectrometry-based glycomics workflow to test these relationships, and conducted infection studies in fibroblast monolayers to probe cellular functions. Through the validated disruption of 17 glycogenes, we also discovered novel Glc0-2-Man6-GlcNAc2-type N-glycans, GalNAc2- and Glc-Fuc-type O-glycans, and a nuclear O-Fuc type glycan. We describe the guide sequences, disruption constructs, and mutant strains, which are freely available to practitioners for application in the context of the relational map to investigate the roles of glycans in their favorite biological processes.

When deprived of nutrients, trophozoites of the eye pathogen Acanthamoeba castellanii make a cyst wall, which contains cellulose and has two layers connected by cone-shaped ostioles. We recently showed chitin is also present and identified three sets of lectins, which localize to the ectocyst layer (Jonah lectin) or the endocyst layer and ostioles (Luke and Leo lectins). To determine how the cyst wall is made, we examined encysting protists using structured illumination microscopy, probes for glycopolymers, and tags for lectins. In the first stage (3 to 9 hr), cellulose, chitin, and a Jonah lectin were each made in dozens of encystation-specific vesicles. In the second stage (12 to 18 hr), a primordial wall contained both glycopolymers and Jonah lectin, while small, flat ostioles were outlined by a Luke lectin. In the third stage (24 to 36 hr), an ectocyst layer enriched in Jonah lectin was connected to an endocyst layer enriched in Luke and Leo lectins by large, conical ostioles. Jonah and Luke lectins localized to the same places in mature cyst walls (72 hr) independent of the timing of expression. The Jonah lectin and the glycopolymer bound by the lectin were accessible in the ectocyst layer of mature walls. In contrast, Luke and Leo lectins and glycopolymers bound by the lectins were mostly inaccessible in the endocyst layer and ostioles. These results show that cyst wall formation is a tightly choreographed event, in which glycopolymers and lectins combine to form a mature wall with a protected endocyst layer.

The cyst wall of the eye pathogen Acanthamoeba castellanii contains cellulose and chitin and has ectocyst and endocyst layers connected by conical ostioles. Previously, we used mass spectrometry of purified walls to identify an abundant laccase and three families of lectins (Jonah, Luke, and Leo). Here we show that frameshifts in the protein prediction in AmoebaDB, which incorrectly add 12 transmembrane helices, cause Jonah to mislocalize to a ring around ostioles rather than to the ectocyst layer. RT-PCR, double labels with GFP and RFP or mCherry, and promoter swaps show that ectocyst localization does not just correlate with but is caused by earlier expression, while localization in the endocyst layer and ostioles is caused by later expression. A chitin-binding domain from an Entamoeba chitinase shows chitin forms thick fibrils in the ectocyst layer and a honeycomb in the endocyst layer. AlphaFold shows Ac wall proteins originate from bacteria by horizontal gene transfer (β-helical folds of Jonah and three cupredoxin-like domains of the laccase), share common ancestry with wall proteins of slime molds (β-jelly-roll folds of Luke), or are unique to Acanthamoeba (four disulfide knots of Leo). Ala mutations show linear arrays of aromatic amino acids in β-jelly-roll folds of Luke and disulfide knots of Leo are necessary for binding cellulose and proper localization of proteins in the cyst wall. Finally, rabbit antibodies to recombinant Jonah, Luke, Leo, and laccase efficiently detect calcoflour white-labeled cysts of 10 of 11 Acanthamoeba isolates tested, suggesting all four proteins are excellent diagnostic targets.

Toxoplasma gondii is an intracellular parasite that causes disseminated infections which can lead to neurological damage in fetuses and immunocompromised individuals. Microneme protein 2 (MIC2), a member of the thrombospondin-related anonymous protein (TRAP) family, is a secreted protein important for motility, host cell attachment, invasion, and egress. MIC2 contains six thrombospondin type I repeats (TSRs) that are modified by C-mannose and O-fucose in Plasmodium spp. and mammals. Here we used mass spectrometry to show that the four TSRs in T. gondii MIC2 with protein O-fucosyltransferase 2 (POFUT2) acceptor sites are modified by a dHexHex disaccharide, while Trp residues within three TSRs are also modified with C-mannose. Disruption of genes encoding either pofut2 or nucleotide sugar transporter 2 (nst2), the putative GDP-fucose transporter, results in loss of MIC2 O-fucosylation, as detected by an antibody against the GlcFuc disaccharide, and markedly reduced cellular levels of MIC2. Furthermore, in 10-15% of the Δpofut2 or Δnst2 vacuoles, MIC2 accumulates earlier in the secretory pathway rather than localizing to micronemes. Dissemination of tachyzoites in human foreskin fibroblasts is reduced in these knockouts, which both show defects in attachment to and invasion of host cells comparable to the phenotype observed in the Δmic2. These results, which show O-fucosylation of TSRs is required for efficient processing of MIC2 and for normal parasite invasion, are consistent with the recent demonstration that P. falciparum Δpofut2 has decreased virulence and support a conserved role for this glycosylation pathway in quality control of TSR-containing proteins in eukaryotes.

Abstract Once considered unusual, nucleocytoplasmic glycosylation is now recognized as a conserved feature of eukaryotes. While in animals O -GlcNAc transferase (OGT) modifies thousands of intracellular proteins, the human pathogen Toxoplasma gondii transfers a different sugar, fucose, to proteins involved in transcription, mRNA processing and signaling. Knockout experiments showed that Tg SPY, an ortholog of plant SPINDLY and paralog of host OGT, is required for nuclear O -fucosylation. Here we verify that Tg SPY is the nucleocytoplasmic O -fucosyltransferase (OFT) by 1) complementation with Tg SPY-MYC 3 , 2) its functional dependence on amino acids critical for OGT activity, and 3) its ability to O -fucosylate itself and a model substrate and to specifically hydrolyze GDP-Fuc. While many of the endogenous proteins modified by O -Fuc are important for tachyzoite fitness, O -fucosylation by Tg SPY is not essential. Growth of Δ spy tachyzoites in fibroblasts is modestly affected, despite marked reductions in the levels of ectopically-expressed proteins normally modified with O -fucose. Intact Tg SPY-MYC 3 localizes to the nucleus and cytoplasm, whereas catalytic mutants often displayed reduced abundance. Δ spy tachyzoites of a luciferase-expressing type II strain exhibited infection kinetics in mice similar to wild type but increased persistence in the chronic brain phase, potentially due to an imbalance of regulatory protein levels. The modest changes in parasite fitness in vitro and in mice, despite profound effects on reporter protein accumulation, and the characteristic punctate localization of O -fucosylated proteins, suggest that Tg SPY controls the levels of proteins to be held in reserve for response to novel stresses.

Acanthamoeba castellanii, cause of keratitis and blindness, is an emerging pathogen because of its association with contact lens use. The cyst wall contributes to pathogenesis as cysts are resistant to sterilizing reagents in lens solutions and to antibiotics applied to the eye. We used transmission electron microscopy, as well as structured illumination microscopy and probes for cellulose and chitin, to show that purified cyst walls of A. castellanii retain an outer ectocyst layer, an inner endocyst layer, and conical ostioles that connect the layers. Mass spectrometry showed candidate cyst wall proteins are dominated by three families of lectins (named here Luke, Leo, and Jonah), each of which binds to microcrystalline cellulose and to a lesser degree chitin. A Jonah lectin, which has one choice-of-anchor A (CAA) domain, localizes to the ectocyst layer of mature cyst walls. Luke lectins, which have two or three carbohydrate-binding modules (CBM49), localize to the endocyst layer and ostioles. A Leo lectin, which has two domains with eight Cys residues each (8-Cys), also localizes to the endocyst layer and ostioles. In summary, the most abundant A. castellanii cyst wall proteins are three sets of lectins, which have carbohydrate-binding modules that are conserved (CBM49s of Luke), newly characterized (CAA of Jonah), or unique to Acanthamoebae (8-Cys of Leo). Despite their lack of common ancestry, Luke and Leo lectins both localize to the endocyst layer and ostioles, while the Jonah lectin localizes to the ectocyst layer.