A major part of virulence for Plasmodium falciparum malaria infection, the most lethal parasitic disease of humans, results from increased rigidity and adhesiveness of infected host red cells. These changes are caused by parasite proteins exported to the erythrocyte using novel trafficking machinery assembled in the host cell. To understand these unique modifications, we used a large-scale gene knockout strategy combined with functional screens to identify proteins exported into parasite-infected erythrocytes and involved in remodeling these cells. Eight genes were identified encoding proteins required for export of the parasite adhesin PfEMP1 and assembly of knobs that function as physical platforms to anchor the adhesin. Additionally, we show that multiple proteins play a role in generating increased rigidity of infected erythrocytes. Collectively these proteins function as a pathogen secretion system, similar to bacteria and may provide targets for antivirulence based therapies to a disease responsible for millions of deaths annually.

Erythrocyte invasion by the merozoite is an obligatory stage in Plasmodium parasite infection and essential to malaria disease progression. Attempts to study this process have been hindered by the poor invasion synchrony of merozoites from the only in vitro culture-adapted human malaria parasite, Plasmodium falciparum. Using fluorescence, three-dimensional structured illumination, and immunoelectron microscopy of filtered merozoites, we analyze cellular and molecular events underlying each discrete step of invasion. Monitoring the dynamics of these events revealed that commitment to the process is mediated through merozoite attachment to the erythrocyte, triggering all subsequent invasion events, which then proceed without obvious checkpoints. Instead, coordination of the invasion process involves formation of the merozoite-erythrocyte tight junction, which acts as a nexus for rhoptry secretion, surface-protein shedding, and actomyosin motor activation. The ability to break down each molecular step allows us to propose a comprehensive model for the molecular basis of parasite invasion.

During blood-stage infection by Plasmodium falciparum, merozoites invade RBCs. Currently there is limited knowledge of cellular and molecular invasion events, and no established assays are available to readily measure and quantify invasion-inhibitory antibodies or compounds for vaccine and drug studies. We report the isolation of viable merozoites that retain their invasive capacity, at high purity and yield, purified by filtration of highly synchronous populations of schizonts. We show that the half-life of merozoite invasive capacity after rupture is 5 min at 37 °C, and 15 min at room temperature. Studying the kinetics of invasion revealed that 80% of invasion events occur within 10 min of mixing merozoites and RBCs. Invasion efficiency was maximum at low merozoite-to-RBC ratios and occurred efficiently in the absence of serum and with high concentrations of dialyzed nonimmune serum. We developed and optimized an invasion assay by using purified merozoites that enabled invasion-inhibitory activity of antibodies and compounds to be measured separately from other mechanisms of growth inhibition; the assay was more sensitive for detecting inhibitory activity than established growth-inhibition assays. Furthermore, with the use of purified merozoites it was possible to capture and fix merozoites at different stages of invasion for visualization by immunofluorescence microscopy and EM. We thereby demonstrate that processing of the major merozoite antigen merozoite surface protein-1 occurs at the time of RBC invasion. These findings have important implications for defining invasion events and molecular interactions, understanding immune interactions, and identifying and evaluating inhibitors to advance vaccine and drug development.

Antibodies play major roles in immunity to malaria; however, a limited understanding of mechanisms mediating protection is a major barrier to vaccine development. We have demonstrated that acquired human anti-malarial antibodies promote complement deposition on the merozoite to mediate inhibition of erythrocyte invasion through C1q fixation and activation of the classical complement pathway. Antibody-mediated complement-dependent (Ab-C′) inhibition was the predominant invasion-inhibitory activity of human antibodies; most antibodies were non-inhibitory without complement. Inhibitory activity was mediated predominately via C1q fixation, and merozoite surface proteins 1 and 2 were identified as major targets. Complement fixation by antibodies was very strongly associated with protection from both clinical malaria and high-density parasitemia in a prospective longitudinal study of children. Ab-C′ inhibitory activity could be induced by human immunization with a candidate merozoite surface-protein vaccine. Our findings demonstrate that human anti-malarial antibodies have evolved to function by fixing complement for potent invasion-inhibitory activity and protective immunity.

Cytoadherance of Plasmodium falciparum-infected erythrocytes in the brain, organs and peripheral microvasculature is linked to morbidity and mortality associated with severe malaria. Parasite-derived P. falciparum Erythrocyte Membrane Protein 1 (PfEMP1) molecules displayed on the erythrocyte surface are responsible for cytoadherance and undergo antigenic variation in the course of an infection. Antigenic variation of PfEMP1 is achieved by in situ switching and mutually exclusive transcription of the var gene family, a process that is controlled by epigenetic mechanisms. Here we report characterisation of the P. falciparum silent information regulator's A and B (PfSir2A and PfSir2B) and their involvement in mutual exclusion and silencing of the var gene repertoire. Analysis of P. falciparum parasites lacking either PfSir2A or PfSir2B shows that these NAD(+)-dependent histone deacetylases are required for silencing of different var gene subsets classified by their conserved promoter type. We also demonstrate that in the absence of either of these molecules mutually exclusive expression of var genes breaks down. We show that var gene silencing originates within the promoter and PfSir2 paralogues are involved in cis spreading of silenced chromatin into adjacent regions. Furthermore, parasites lacking PfSir2A but not PfSir2B have considerably longer telomeric repeats, demonstrating a role for this molecule in telomeric end protection. This work highlights the pivotal but distinct role for both PfSir2 paralogues in epigenetic silencing of P. falciparum virulence genes and the control of pathogenicity of malaria infection.

An understanding of the mechanisms mediating protective immunity against malaria in humans is currently lacking, but critically important to advance the development of highly efficacious vaccines. Antibodies play a key role in acquired immunity, but the functional basis for their protective effect remains unclear. Furthermore, there is a strong need for immune correlates of protection against malaria to guide vaccine development. Using a validated assay to measure opsonic phagocytosis of Plasmodium falciparum merozoites, we investigated the potential role of this functional activity in human immunity against clinical episodes of malaria in two independent cohorts (n = 109 and n = 287) experiencing differing levels of malaria transmission and evaluated its potential as a correlate of protection. Antibodies promoting opsonic phagocytosis of merozoites were cytophilic immunoglobulins (IgG1 and IgG3), induced monocyte activation and production of pro-inflammatory cytokines, and were directed against major merozoite surface proteins (MSPs). Consistent with protective immunity in humans, opsonizing antibodies were acquired with increasing age and malaria exposure, were boosted on re-infection, and levels were related to malaria transmission intensity. Opsonic phagocytosis was strongly associated with a reduced risk of clinical malaria in longitudinal studies in children with current or recent infections. In contrast, antibodies to the merozoite surface in standard immunoassays, or growth-inhibitory antibodies, were not significantly associated with protection. In multivariate analyses including several antibody responses, opsonic phagocytosis remained significantly associated with protection against malaria, highlighting its potential as a correlate of immunity. Furthermore, we demonstrate that human antibodies against MSP2 and MSP3 that are strongly associated with protection in this population are effective in opsonic phagocytosis of merozoites, providing a functional link between these antigen-specific responses and protection for the first time. Opsonic phagocytosis of merozoites appears to be an important mechanism contributing to protective immunity in humans. The opsonic phagocytosis assay appears to be a strong correlate of protection against malaria, a valuable biomarker of immunity, and provides a much-needed new tool for assessing responses to blood-stage malaria vaccines and measuring immunity in populations.

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.

Plasmodium falciparum is the major cause of malaria globally and is transmitted by mosquitoes. During parasitic development, P. falciparum-infected erythrocytes (P. falciparum-IEs) express multiple polymorphic proteins known as variant surface antigens (VSAs), including the P. falciparum erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1). VSA-specific antibodies are associated with protection from symptomatic and severe malaria. However, the importance of the different VSA targets of immunity to malaria remains unclear, which has impeded an understanding of malaria immunity and vaccine development. In this study, we developed assays using transgenic P. falciparum with modified PfEMP1 expression to quantify serum antibodies to VSAs among individuals exposed to malaria. We found that the majority of the human antibody response to the IE targets PfEMP1. Furthermore, our longitudinal studies showed that individuals with PfEMP1-specific antibodies had a significantly reduced risk of developing symptomatic malaria, whereas antibodies to other surface antigens were not associated with protective immunity. Using assays that measure antibody-mediated phagocytosis of IEs, an important mechanism in parasite clearance, we identified PfEMP1 as the major target of these functional antibodies. Taken together, these data demonstrate that PfEMP1 is a key target of humoral immunity. These findings advance our understanding of the targets and mediators of human immunity to malaria and have major implications for malaria vaccine development.

Significance Widely available accurate estimates of malaria exposure are essential for targeting and evaluation of public health interventions. Antibody responses to the malaria parasite can provide information on past exposure, but to date, most such measurements have been based on responses to a small number of parasite proteins chosen by convenience rather than utility and have not provided quantitative information on an individual’s exposure. Our results generated by screening hundreds of responses in children with known exposure histories indicate that responses to a few appropriately selected antigens can provide such information. This new approach can be transformed into high-throughput, low-cost, field-based assays useful for surveillance of malaria and has the potential to be translated into similar tools for other infectious diseases.