Description of macrophage activation is currently contentious and confusing. Like the biblical Tower of Babel, macrophage activation encompasses a panoply of descriptors used in different ways. The lack of consensus on how to define macrophage activation in experiments in vitro and in vivo impedes progress in multiple ways, including the fact that many researchers still consider there to be only two types of activated macrophages, often termed M1 and M2. Here, we describe a set of standards encompassing three principles-the source of macrophages, definition of the activators, and a consensus collection of markers to describe macrophage activation-with the goal of unifying experimental standards for diverse experimental scenarios. Collectively, we propose a common framework for macrophage-activation nomenclature.

Apicomplexan parasites are leading causes of human and livestock diseases such as malaria and toxoplasmosis, yet most of their genes remain uncharacterized. Here, we present the first genome-wide genetic screen of an apicomplexan. We adapted CRISPR/Cas9 to assess the contribution of each gene from the parasite Toxoplasma gondii during infection of human fibroblasts. Our analysis defines ∼200 previously uncharacterized, fitness-conferring genes unique to the phylum, from which 16 were investigated, revealing essential functions during infection of human cells. Secondary screens identify as an invasion factor the claudin-like apicomplexan microneme protein (CLAMP), which resembles mammalian tight-junction proteins and localizes to secretory organelles, making it critical to the initiation of infection. CLAMP is present throughout sequenced apicomplexan genomes and is essential during the asexual stages of the malaria parasite Plasmodium falciparum. These results provide broad-based functional information on T. gondii genes and will facilitate future approaches to expand the horizon of antiparasitic interventions.

The protozoon Toxoplasma gondii causes intracellular infections with extraordinary differences in disease severity, ranging from inevitable death to a mild chronic infection. The reason for this variation has been something of a mystery, but an enzyme that could be responsible has now been identified. Toxoplasma injects a protein kinase into the host cell that is rapidly transported to the nucleus where it dramatically alters host gene expression, including genes that determine the host response to infection. Different Toxoplasma strains have different versions of this protein, and this could explain the wide variations in pathogenicity. Toxoplasma gondii causes intracellular infections with disease severity that varies depending on the pathogen strain. A potential mechanism has now been elucidated, whereby the presence of a putative kinase in certain strains results in the activation of distinct host signalling pathways. Toxoplasma gondii, an obligate intracellular parasite of the phylum Apicomplexa, can cause severe disease in humans with an immature or suppressed immune system. The outcome of Toxoplasma infection is highly dependent on the strain type, as are many of its in vitro growth properties1. Here we use genetic crosses between type II and III lines to show that strain-specific differences in the modulation of host cell transcription are mediated by a putative protein kinase, ROP16. Upon invasion by the parasite, this polymorphic protein is released from the apical organelles known as rhoptries and injected into the host cell, where it ultimately affects the activation of signal transducer and activator of transcription (STAT) signalling pathways and consequent downstream effects on a key host cytokine, interleukin (IL)-12. Our findings provide a new mechanism for how an intracellular eukaryotic pathogen can interact with its host and reveal important differences in how different Toxoplasma lineages have evolved to exploit this interaction.

The majority of known Toxoplasma gondii isolates from Europe and North America belong to three clonal lines that differ dramatically in their virulence, depending on the host. To identify the responsible genes, we mapped virulence in F 1 progeny derived from crosses between type II and type III strains, which we introduced into mice. Five virulence ( VIR ) loci were thus identified, and for two of these, genetic complementation showed that a predicted protein kinase (ROP18 and ROP16, respectively) is the key molecule. Both are hypervariable rhoptry proteins that are secreted into the host cell upon invasion. These results suggest that secreted kinases unique to the Apicomplexa are crucial in the host-pathogen interaction.

NF-κB is an integral component of the immune response to Toxoplasma gondii. Although evidence exists that T. gondii can directly modulate the NF-κB pathway, the parasite-derived effectors involved are unknown. We determined that type II strains of T. gondii activate more NF-κB than type I or type III strains, and using forward genetics we found that this difference is a result of the polymorphic protein GRA15, a novel dense granule protein which T. gondii secretes into the host cell upon invasion. A GRA15-deficient type II strain has a severe defect in both NF-κB nuclear translocation and NF-κB–mediated transcription. Furthermore, human cells expressing type II GRA15 also activate NF-κB, demonstrating that GRA15 alone is sufficient for NF-κB activation. Along with the rhoptry protein ROP16, GRA15 is responsible for a large part of the strain differences in the induction of IL-12 secretion by infected mouse macrophages. In vivo bioluminescent imaging showed that a GRA15-deficient type II strain grows faster compared with wild-type, most likely through its reduced induction of IFN-γ. These results show for the first time that a dense granule protein can modulate host signaling pathways, and dense granule proteins can therefore join rhoptry proteins in T. gondii’s host cell–modifying arsenal.

Induction of immunity that limits Toxoplasma gondii infection in mice is critically dependent on the activation of the innate immune response. In this study, we investigated the role of cytoplasmic nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat containing a pyrin domain (NLRP) inflammasome sensors during acute toxoplasmosis in mice. We show that in vitro Toxoplasma infection of murine bone marrow-derived macrophages activates the NLRP3 inflammasome, resulting in the rapid production and cleavage of interleukin-1β (IL-1β), with no measurable cleavage of IL-18 and no pyroptosis. Paradoxically, Toxoplasma-infected mice produced large quantities of IL-18 but had no measurable IL-1β in their serum. Infection of mice deficient in NLRP3, caspase-1/11, IL-1R, or the inflammasome adaptor protein ASC led to decreased levels of circulating IL-18, increased parasite replication, and death. Interestingly, mice deficient in NLRP1 also displayed increased parasite loads and acute mortality. Using mice deficient in IL-18 and IL-18R, we show that this cytokine plays an important role in limiting parasite replication to promote murine survival. Our findings reveal T. gondii as a novel activator of the NLRP1 and NLRP3 inflammasomes in vivo and establish a role for these sensors in host resistance to toxoplasmosis.Inflammasomes are multiprotein complexes that are a major component of the innate immune system. They contain "sensor" proteins that are responsible for detecting various microbial and environmental danger signals and function by activating caspase-1, an enzyme that mediates cleavage and release of the proinflammatory cytokines interleukin-1β (IL-1β) and IL-18. Toxoplasma gondii is a highly successful protozoan parasite capable of infecting a wide range of host species that have variable levels of resistance. We report here that T. gondii is a novel activator of the NLRP1 and NLRP3 inflammasomes in vivo and establish a role for these sensors in host resistance to toxoplasmosis. Using mice deficient in IL-18 and IL-18R, we show that the IL-18 cytokine plays a pivotal role by limiting parasite replication to promote murine survival.

Toxoplasma gondii , an obligate intracellular parasite of the phylum Apicomplexa, has the unusual ability to infect virtually any warm-blooded animal. It is an extraordinarily successful parasite, infecting an estimated 30% of humans worldwide. The outcome of Toxoplasma infection is highly dependent on allelic differences in the large number of effectors that the parasite secretes into the host cell. Here, we show that the largest determinant of the virulence difference between two of the most common strains of Toxoplasma is the ROP5 locus. This is an unusual segment of the Toxoplasma genome consisting of a family of 4–10 tandem, highly divergent genes encoding pseudokinases that are injected directly into host cells. Given their hypothesized catalytic inactivity, it is striking that deletion of the ROP5 cluster in a highly virulent strain caused a complete loss of virulence, showing that ROP5 proteins are, in fact, indispensable for Toxoplasma to cause disease in mice. We find that copy number at this locus varies among the three major Toxoplasma lineages and that extensive polymorphism is clustered into hotspots within the ROP5 pseudokinase domain. We propose that the ROP5 locus represents an unusual evolutionary strategy for sampling of sequence space in which the gene encoding an important enzyme has been ( i ) catalytically inactivated, ( ii ) expanded in number, and ( iii ) subject to strong positive selection. Such a strategy likely contributes to Toxoplasma ’s successful adaptation to a wide host range and has resulted in dramatic differences in virulence.

Abstract Toxoplasma gondii is among the most prevalent parasites worldwide, infecting many wild and domestic animals and causing zoonotic infections in humans. T. gondii differs substantially in its broad distribution from closely related parasites that typically have narrow, specialized host ranges. To elucidate the genetic basis for these differences, we compared the genomes of 62 globally distributed T. gondii isolates to several closely related coccidian parasites. Our findings reveal that tandem amplification and diversification of secretory pathogenesis determinants is the primary feature that distinguishes the closely related genomes of these biologically diverse parasites. We further show that the unusual population structure of T. gondii is characterized by clade-specific inheritance of large conserved haploblocks that are significantly enriched in tandemly clustered secretory pathogenesis determinants. The shared inheritance of these conserved haploblocks, which show a different ancestry than the genome as a whole, may thus influence transmission, host range and pathogenicity.

Toxoplasma gondii is a protozoan pathogen in the phylum Apicomplexa that resides within an intracellular parasitophorous vacuole (PV) that is selectively permeable to small molecules through unidentified mechanisms. We have identified GRA17 as a Toxoplasma-secreted protein that localizes to the parasitophorous vacuole membrane (PVM) and mediates passive transport of small molecules across the PVM. GRA17 is related to the putative Plasmodium translocon protein EXP2 and conserved across PV-residing Apicomplexa. The PVs of GRA17-deficient parasites have aberrant morphology, reduced permeability to small molecules, and structural instability. GRA17-deficient parasites proliferate slowly and are avirulent in mice. These GRA17-deficient phenotypes are rescued by complementation with Plasmodium EXP2. GRA17 functions synergistically with a related protein, GRA23. Exogenous expression of GRA17 or GRA23 alters the membrane conductance properties of Xenopus oocytes in a manner consistent with a large non-selective pore. Thus, GRA17 and GRA23 provide a molecular basis for PVM permeability and nutrient access.

Toxoplasma gondii chronically infects a quarter of the world's population, and its recrudescence can cause life-threatening disease in immunocompromised individuals and recurrent ocular lesions in the immunocompetent. Chronic stages are established by differentiation of rapidly replicating tachyzoites into slow-growing bradyzoites, which form intracellular cysts resistant to immune clearance and existing therapies. Despite its central role in infection, the molecular basis of chronic differentiation is not understood. Through Cas9-mediated genetic screening and single-cell transcriptional profiling, we identify and characterize a putative transcription factor (BFD1) as necessary and sufficient for differentiation. Translation of BFD1 appears to be stress regulated, and its constitutive expression elicits differentiation in the absence of stress. As a Myb-like factor, BFD1 provides a counterpoint to the ApiAP2 factors which dominate our current view of parasite gene regulation. Overall, BFD1 provides a genetic switch to study and control Toxoplasma differentiation, and will inform prevention and treatment of chronic infection.