ABSTRACT Most malaria rapid diagnostic tests (RDTs) detect Plasmodium falciparum histidine-rich protein 2 (PfHRP2) and PfHRP3, but deletions of pfhrp2 and phfrp3 genes make parasites undetectable by RDTs. We analyzed 19,313 public whole-genome-sequenced P. falciparum field samples to understand these deletions better. Pfhrp2 deletion only occurred by chromosomal breakage with subsequent telomere healing. Pfhrp3 deletions involved loss from pfhrp3 to the telomere and showed 3 patterns: no other associated rearrangement with evidence of telomere healing at breakpoint (Asia; Pattern 13 - TARE1); associated with duplication of a chromosome 5 segment containing multidrug-resistant-1 gene (Asia; Pattern 13 - 5 ++ ); and most commonly, associated with duplication of a chromosome 11 segment (Americas/Africa; Pattern 13 - 11 ++ ). We confirmed a 13-11 hybrid chromosome with long-read sequencing, consistent with a translocation product arising from recombination between large interchromosomal ribosome-containing segmental duplications. Within most 13 - 11 ++ parasites, the duplicated chromosome 11 segments were identical. Across parasites, multiple distinct haplotype groupings were consistent with emergence due to clonal expansion of progeny from intrastrain meiotic recombination. Together, these observations suggest negative selection normally removes 13 - 11 ++ pfhrp3 deletions , and specific conditions are needed for their emergence and spread including low transmission, findings that can help refine surveillance strategies.

Abstract Background The global resurgence of syphilis necessitates vaccine development. Methods We collected ulcer exudates and blood from 17 participants with primary syphilis (PS) and skin biopsies and blood from 51 patients with secondary syphilis (SS) in Guangzhou, China, for Treponema pallidum subsp pallidum (TPA) quantitative polymerase chain reaction, whole genome sequencing (WGS), and isolation of TPA in rabbits. Results TPA DNA was detected in 15 of 17 ulcer exudates and 3 of 17 blood PS specimens. TPA DNA was detected in 50 of 51 SS skin biopsies and 27 of 51 blood specimens. TPA was isolated from 47 rabbits with success rates of 71% (12/17) and 69% (35/51), respectively, from ulcer exudates and SS bloods. We obtained paired genomic sequences from 24 clinical samples and corresponding rabbit isolates. Six SS14- and 2 Nichols-clade genome pairs contained rare discordances. Forty-one of the 51 unique TPA genomes clustered within SS14 subgroups largely from East Asia, while 10 fell into Nichols C and E subgroups. Conclusions Our TPA detection rate was high from PS ulcer exudates and SS skin biopsies and over 50% from SS blood, with TPA isolation in more than two-thirds of samples. Our results support the use of WGS from rabbit isolates to inform vaccine development.

Abstract Sequencing of most Treponema pallidum ( T. pallidum ) genomes excludes repeat regions in tp0470 and the tp0433 gene, encoding the acidic repeat protein ( arp ). As a first step to understanding the evolution and function of these genes and the proteins they encode, we developed a protocol to nanopore sequence tp0470 and arp genes from 212 clinical samples collected from ten countries on six continents. Both tp0470 and arp repeat structures recapitulate the whole genome phylogeny, with subclade-specific patterns emerging. The number of tp0470 repeats is on average appears to be higher in Nichols-like clade strains than in SS14-like clade strains. Consistent with previous studies, we found that 14-repeat arp sequences predominate across both major clades, but the combination and order of repeat type varies among subclades, with many arp sequence variants limited to a single subclade. Although strains that were closely related by whole genome sequencing frequently had the same arp repeat length, this was not always the case. Structural modelling of TP0470 suggested that the eight residue repeats form an extended α-helix, predicted to be periplasmic. Modeling of the ARP revealed a C-terminal sporulation-related repeat (SPOR) domain, predicted to bind denuded peptidoglycan, with repeat regions possibly incorporated into a highly charged β- sheet. Outside of the repeats, all TP0470 and ARP amino acid sequences were identical. Together, our data, along with functional considerations, suggests that both TP0470 and ARP proteins may be involved in T. pallidum cell envelope remodeling and homeostasis, with their highly plastic repeat regions playing as-yet-undetermined roles.

The increase in syphilis rates worldwide necessitates development of a vaccine with global efficacy. We aimed to explore Treponema pallidum subspecies pallidum (TPA) molecular epidemiology essential for vaccine research by analysing clinical data and specimens from early syphilis patients using whole-genome sequencing (WGS) and publicly available WGS data.

Increasing sulfadoxine-pyrimethamine (SP) resistance in the Democratic Republic of the Congo (DRC) has threatened its use for prevention of malaria in one of the most malarious countries in the world. Using geographic information on mining operations in the DRC and genetic data on SP drug resistance markers from the 2013-2014 Demographic and Health Surveys, we evaluated associations between close residence to mining and the presence of mutations conferring resistance to sulfadoxine. Close residential proximity to mining was associated with increased prevalence odds ratio (POR) of the dhps540E mutation (POR: 2.11, 95% uncertainty interval: 1.15-3.96) with adjustments for confounding variables and space. Our findings indicate that exposure to mining is associated with increased presence of an antimalarial drug resistance haplotype that threatens effective use of SP for vulnerable populations. Areas actively engaged in mining could be considered for interventions to reduce the spread of emerging drug resistance in the DRC.

Background Rapid diagnostic tests (RDTs) that detect the malaria antigen histidine-rich protein 2 (HRP2) are widely used in endemic areas globally to confirm Plasmodium falciparum infection in febrile patients. The emergence of parasites lacking the gene encoding HRP2 and escaping RDT detection threatens progress in malaria control and elimination. Many health facilities in malaria endemic countries are dependent on RDTs for diagnosis and some National Health Service hospitals without expert microscopists rely on them for diagnosis out of hours. It is vital to study the emergence and the extent of such parasites globally to guide diagnostic policy. Currently, verification of the presence of such parasites in a blood sample requires a series of PCR assays to confirm the presence of P. falciparum and in the absence of amplicons from pfhrp2 and/or pfhrp3 , which encodes a cross-reactive protein isoform. These tests have different limits of detection and many laboratories have reported difficulty in confirming the absence of pfhrp2 and pfhrp3 with certainty.Methods We developed and validated a novel and rapid multiplex real time quantitative (qPCR) assay to detect pfhrp2, pfhrp3, confirmatory parasite and human reference genes simultaneously. We also applied the assay to detect pfhrp2 and pfhrp3 deletion in 462 field samples from different endemic countries and UK travellers.Results The qPCR assay showed limit of detection and quantification of 0.76-1.5 parasites per μl. The amplification efficiency, coefficient of determination (R2) and slope for the genes were 96-1.07%, 0.96-0.98 and −3.375 2 to −3.416 respectively. The assay demonstrated diagnostic sensitivity of 100% (n=19, 95% CI= (82.3%; 100%)) and diagnostic specificity of 100% (n=31; 95% CI= (88.8%; 100%)) in detecting pfhrp2 and pfhrp3 in. In addition, the qPCR assay estimates P. falciparum parasite density and can detect pfhrp2 and pfhrp3 deletions masked in polyclonal infections. We report pfhrp2 and pfhrp3 deletions in parasite isolates from Kenya, Tanzania and in UK travellers.Conclusion The new qPCR assay is simple to use and offers significant advantages in speed and ease of interpretation. It is easily scalable to routine surveillance studies in countries where P. falciparum parasites lacking pfhrp2 and pfhrp3 are a threat to malaria control.

Background: Tanzania's Zanzibar archipelago has made significant gains in malaria control over the last decade and is a target for malaria elimination. Despite consistent implementation of effective tools since 2002, elimination has not been achieved. Importation of parasites from outside of the archipelago is thought to be an important cause of malaria's persistence, but this paradigm has not been studied using modern genetic tools. Methods: We used whole-genome sequencing (WGS) to investigate the impact of importation, employing population genetic analyses of Plasmodium falciparum isolates from both the archipelago and mainland Tanzania. We assessed ancestry, levels of genetic diversity and differentiation, patterns of relatedness, and patterns of selection between these two populations by leveraging recent advances in deconvolution of genomes from polyclonal malaria infections. Results: We identified significant decreases in the effective population sizes in both populations in the timeframe of decreasing malaria transmission in Tanzania. Identity by descent analysis showed that parasites in the two populations shared large sections of their genomes, on the order of 5 cM, suggesting shared ancestry within the last 10 generations. Even with limited sampling,, we demonstrate a pair of isolates between the mainland and Zanzibar that are related at the expected level of half-siblings, consistent with recent importation. Conclusions: These findings suggest that importation plays an increasing role for malaria incidence on Zanzibar and demonstrate the value of genomic approaches for identifying corridors of parasite movement to the island.

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.

The Democratic Republic of the Congo (DRC) harbors 11% of global malaria cases, yet little is known about the spatial and genetic structure of the parasite population in that country. We sequenced 2537 Plasmodium falciparum infections, including a nationally representative population sample from DRC and samples from surrounding countries, using molecular inversion probes - a novel high-throughput genotyping tool. We identified an east-west divide in haplotypes known to confer resistance to chloroquine and sulfadoxine-pyrimethamine. Furthermore, we identified highly related parasites over large geographic distances, indicative of gene flow and migration. Our results were consistent with a background of isolation by distance combined with the effects of selection for antimalarial drug resistance. This study provides a high-resolution view of parasite genetic structure across a large country in Africa and provides a baseline to study how implementation programs may impact parasite populations.