ABSTRACT In vitro evolution of drug resistance is a powerful approach for identifying antimalarial targets, however key obstacles to eliciting resistance are the parasite inoculum size and mutation rate. Here we sought to increase parasite genetic diversity to potentiate resistance selections by editing catalytic residues of Plasmodium falciparum DNA polymerase δ. Mutation accumulation assays revealed a ∼5-8 fold elevation in the mutation rate, with an increase of 13-28 fold in drug-pressured lines. When challenged with KAE609, high-level resistance was obtained more rapidly and at lower inoculum than wild-type parasites. Selections were also successful with an “irresistible” compound, MMV665794 that failed to yield resistance with other strains. Mutations in a previously uncharacterized gene, PF3D7_1359900, which we term quinoxaline resistance protein (QRP1), were validated as causal for resistance to MMV665794 and an analog, MMV007224. The increased genetic repertoire available to this “ mutator” parasite can be leveraged to drive P. falciparum resistome discovery.

Abstract Small-molecule inhibitors of PfATP4, a Plasmodium falciparum protein that is believed to pump Na + out of the parasite while importing H + , are on track to become much-needed new antimalarial drugs. The spiroindolone cipargamin is poised to become the first PfATP4 inhibitor to reach the field, having performed strongly in Phase 1 and 2 clinical trials. Previous attempts to generate cipargamin-resistant parasites in the laboratory have yielded parasites with reduced susceptibility to the drug; however, the highest 50% inhibitory concentration reported to date is 24 nM. Here, we show that P. falciparum parasites can acquire a clinically-significant level of resistance to cipargamin that enables them to withstand micromolar concentrations of the drug. Independent experiments to generate high-level cipargamin resistance using different protocols and strains led to the same change each time – a G358S mutation in PfATP4. Parasites with this mutation showed high-level resistance not only to cipargamin, but also to the dihydroisoquinolone (+)-SJ733. However, for certain other (less clinically advanced) PfATP4-associated compounds the G358S mutation in PfATP4 conferred only moderate resistance or no resistance. The G358S mutation in PfATP4 did not affect parasite susceptibility to antimalarials that do not target PfATP4. The G358S mutation in PfATP4, and the equivalent mutation in the Toxoplasma gondii ATP4 homologue (G419S), decreased the sensitivity of the Na + -ATPase activity of ATP4 to inhibition by cipargamin and (+)-SJ733, and decreased the sensitivity of parasites expressing these ATP4 mutations to disruption of parasite Na + regulation by cipargamin- and (+)-SJ733. The G358S mutation in PfATP4 reduced the affinity of the protein for Na + and was associated with an increase in the parasite’s resting cytosolic Na + concentration; however, no significant defect in parasite growth rate was observed. Our findings suggest that codon 358 in pfatp4 should be monitored closely in the field as a molecular marker for cipargamin resistance, and that PfATP4 inhibitors in clinical development should be tested for their activity against PfATP4 G358S parasites.

A bstract One of the most promising new compound classes in clinical development for the treatment of malaria is the imidazolopiperazines (IZPs) class. Human trials have demonstrated that members of the IZP series, which includes KAF156 (Ganaplacide) and GNF179, are potent and effective against Plasmodium symptomatic asexual blood-stage infections. Unlike other commonly used antimalarials, they also prevent transmission and block future infection in animal models. Despite the identification of several Plasmodium falciparum resistance mechanisms including mutations in ER-localized PfCARL (PfEMP65), Acetyl-coA transporter, and PfUGT transporter, IZP’s mechanism of action remains unknown. To investigate, we combined in vitro evolution and whole-genome analysis in the model organism Saccharomyces cerevisiae with molecular, metabolomic, and chemogenomic methods, in P. falciparum . S. cerevisiae clones that resist IZP activity carry multiple mutations in genes that encode endoplasmic reticulum(ER)-based lipid homeostasis and autophagy including elo2 , elo3 , sur2 , atg15 and lcb4 , as well as ER-based sec66. In Plasmodium , IZPs cause inhibition of protein trafficking, block the establishment of new permeation pathways and result in ER expansion. We also observe sensitization with other secretion inhibitors such as brefeldin A and golgicidin as well as synthetic lethality with PfSEC62. Our data show that IZPs target the secretory pathway and highlight a novel mechanism for blocking parasite growth and development that is distinct from those of standard compounds used to treat malaria. In addition, we provide physiological signatures and hallmarks for inhibitors that work through this mechanism of action and show that IZPs are tool compounds for studying ER-dependent protein processing in different species.

1 Abstract CRISPR editing has enabled the rapid creation of fluorescent Plasmodium transgenic lines, facilitating a deeper understanding of parasite biology. The impact of genetic perturbations such as gene disruption or the introduction of drug resistance alleles on parasite fitness is typically quantified in competitive growth assays between the query line and a wild type reference. Although fluorescent reporter lines offer a facile and frequently used method to measure relative growth, this approach is limited by the strain background of the existing reporter, which may not match the growth characteristics of the query strains, particularly if these are slower-growing field isolates. Here, we demonstrate an efficient CRISPR-based approach to generate fluorescently labelled parasite lines using mNeonGreen derived from the LanYFP protein in Branchiostoma lanceolatum , which is one of the brightest monomeric green fluorescent proteins identified. Using a positive-selection approach by insertion of an in-frame blasticidin S deaminase marker, we generated a Dd2 reporter line expressing mNeonGreen under the control of the pfpare ( P. falciparum Prodrug Activation and Resistance Esterase) locus. We selected the pfpare locus as an integration site because it is highly conserved across P. falciparum strains, expressed throughout the intraerythrocytic cycle, not essential, and offers the potential for negative selection to further enrich for integrants. The mNeonGreen@ pare line demonstrates strong fluorescence with a negligible fitness defect. In addition, the construct developed can serve as a tool to fluorescently tag other P. falciparum strains for in vitro experimentation.

ABSTRACT Deubiquitinating enzymes function to cleave ubiquitin moieties from modified proteins, serving to maintain the pool of free ubiquitin in the cell while simultaneously impacting the fate and function of a target protein. Like all eukaryotes, Plasmodium parasites rely on the dynamic addition and removal of ubiquitin for their own growth and survival. While humans possess around 100 DUBs, Plasmodium contains ∼20 putative ubiquitin hydrolases, many of which bear little to no resemblance to those of other organisms. In this study, we characterize Pf UBP-1, a large ubiquitin hydrolase unique to Plasmodium spp that has been linked to endocytosis and drug resistance. We demonstrate its ubiquitin activity, linkage specificity and assess the repercussions of point mutations associated with drug resistance on catalytic activity and parasite fitness.

The recurrent emergence of drug resistance in Plasmodium falciparum increases the urgency to genetically validate drug resistance mechanisms and identify new targets. Reverse genetics have facilitated genome-scale knockout screens in Plasmodium berghei and Toxoplasma gondii , in which pooled transfections of multiple vectors were critical to increasing scale and throughput. These approaches have not yet been implemented in P. falciparum , mainly because the extent to which pooled transfections can be performed in this species still remains unknown. Here we use next-generation sequencing to quantitate uptake of a pool of 94 barcoded vectors. The distribution of vectors in different transfections allowed us to estimate the number of barcodes and DNA molecules taken up by the parasite population. Dilution cloning showed that single transfected parasites routinely carry as many as seven episomal barcodes, revealing an intake of multiple vectors in a highly non-uniform fashion. Transfection of non-overlapping fluorescent proteins, which allowed us to follow the dynamics of the process, confirmed the tendency for parasites to take up multiple vectors from the early stages of transfection. This finding has important implications for how reverse genetics can be scaled in P. falciparum .

Chemogenetic characterization through in vitro evolution combined with whole genome analysis is a powerful tool to discover novel antimalarial drug targets and identify drug resistance genes. Our comprehensive genome analysis of 262 Plasmodium falciparum parasites treated with 37 diverse compounds reveals how the parasite evolves to evade the action of small molecule growth inhibitors. This detailed data set revealed 159 gene amplifications and 148 nonsynonymous changes in 83 genes which developed during resistance acquisition. Using a new algorithm, we show that gene amplifications contribute to 1/3 of drug resistance acquisition events. In addition to confirming known multidrug resistance mechanisms, we discovered novel multidrug resistance genes. Furthermore, we identified promising new drug target-inhibitor pairs to advance the malaria elimination campaign, including: thymidylate synthase and a benzoquinazolinone, farnesyltransferase and a pyrimidinedione, and a dipeptidylpeptidase and an arylurea. This deep exploration of the P. falciparum resistome and drug-able genome will guide future drug discovery and structural biology efforts, while also advancing our understanding of resistance mechanisms of the deadliest malaria parasite.

Abstract The repeated emergence of antimalarial drug resistance in Plasmodium falciparum , including to the current frontline antimalarial artemisinin, is a perennial problem for malaria control. Nextgeneration sequencing has greatly accelerated the identification of polymorphisms in resistance-associated genes, but has also highlighted the need for more sensitive and accurate laboratory tools to profile current and future antimalarials, and to quantify the impact of drug resistance acquisition on parasite fitness. The interplay of fitness and drug response is of fundamental importance in understanding why particular genetic backgrounds are better at driving the evolution of drug resistance in natural populations, but the impact of parasite fitness landscapes on the epidemiology of drug resistance has typically been laborious to accurately quantify in the lab, with assays being limited in accuracy and throughput. Here we present a scalable method to profile fitness and drug response of genetically distinct P. falciparum strains with well-described sensitivities to several antimalarials. We leverage CRISPR/Cas9 genome-editing and barcode sequencing to track unique barcodes integrated into a non-essential gene ( pfrh3 ). We validate this approach in multiplex competitive growth assays of three strains with distinct geographical origins. Furthermore, we demonstrate that this method can be a powerful approach for tracking artemisinin response as it can identify an artemisinin resistant strain within a mix of multiple parasite lines, suggesting an approach for scaling the laborious ring-stage survival assay (RSA) across libraries of barcoded parasite lines. Overall, we present a novel high-throughput method for multiplexed competitive growth assays to evaluate parasite fitness and drug response

Abstract Placental infections are a major worldwide burden, particularly in developing countries. The placenta is a transient tissue located at the interface between the mother and the fetus. Some pathogens can access the placental barrier resulting in pathological transmission from mother to fetus, which may have a profound impact on the health of the developing fetus. Limited tissue accessibility, critical differences between humans and mice, and, until recently, lack of proper in vitro models, have hampered our understanding of the early placental response to pathogens. Here we use single-cell transcriptomics to describe the placental primary defence mechanisms against three pathogens that are known to cause fetal and maternal complications during pregnancy - Plasmodium falciparum, Listeria monocytogenes and Toxoplasma gondii . We optimise ex vivo placental explants of the first-trimester human placenta and show that trophoblasts (the epithelial-like cells of the placenta), and Hofbauer cells (placental macrophages) orchestrate a coordinated inflammatory response after 24 hours of infection. We show that hormone biosynthesis and transport are downregulated in the trophoblasts, suggesting that protective responses are promoted at the expense of decreasing other critical functions of the placenta, such as the endocrine production and the nourishment of the fetus. In addition, we pinpoint pathogen-specific effects in some placental lineages, including a strong mitochondrial alteration in the Hofbauer cells in response to T. gondii . Finally, we identify adaptive strategies and validate nutrient acquisition employed by the P. falciparum during placental malaria infection. This study provides the first detailed cellular map of the first-trimester placenta upon infection and describes the early events that may lead to fetal and placental disorders if left unchecked.

The human pathogens Plasmodium and Schistosoma are each responsible for over 200 million infections annually, being particularly problematic in low- and middle-income countries. There is a pressing need for new drug targets for these diseases, driven by emergence of drug-resistance in Plasmodium and the overall dearth of new drug targets for Schistosoma. Here, we explored the opportunity for pathogen-hopping by evaluating a series of quinoxaline-based anti-schistosomal compounds for activity against P. falciparum. We identified compounds with low nanomolar potency against 3D7 and multidrug-resistant strains. Evolution of resistance using a mutator P. falciparum line revealed a low propensity for resistance. Only one of the series, compound 22, yielded resistance mutations, including point mutations in a non-essential putative hydrolase pfqrp1,as well as copy-number amplification of a phospholipid-translocating ATPase pfatp2, a potential target. Notably, independently generated CRISPR-edited mutants in pfqrp1 also showed resistance to compound 22 and a related analogue. Moreover, previous lines with pfatp2 copy-number variations were similarly less susceptible to challenge with the new compounds. Finally, we examined whether the predicted hydrolase activity of PfQRP1 underlies its mechanism of resistance, showing that both mutation of the putative catalytic triad and a more severe loss of function mutation elicited resistance. Collectively, we describe a compound series with potent activity against two important pathogens and their potential target in P. falciparum.