ABSTRACT Single amino acid changes in the parasite protein Kelch13 (K13) result in reduced susceptibility of P. falciparum parasites to artemisinin and its derivatives (ART). Recent work indicated that K13 and other proteins co-localising with K13 (K13 compartment proteins) are involved in the endocytic uptake of host cell cytosol (HCCU) and that a reduction in HCCU results in ART resistance. HCCU is critical for parasite survival but is poorly understood, with the K13 compartment proteins among the few proteins so far functionally linked to this process. Here we further defined the composition of the K13 compartment by analysing more hits from a previous BioID, showing that MyoF and MCA2 as well as Kelch13 interaction candidate (KIC) 11 and 12 are found at this site. Functional analyses, tests for ART susceptibility as well as comparisons of structural similarities using AlphaFold2 predictions of these and previously identified proteins showed that canonical vesicle trafficking and endocytosis domains were frequent in proteins involved in resistance or endocytosis (or both), comprising one group of K13 compartment proteins. While this strengthened the link of the K13 compartment to endocytosis, many proteins of this group showed unusual domain combinations and large parasite-specific regions, indicating a high level of taxon-specific adaptation of this process. Another group of K13 compartment proteins did not influence endocytosis or ART susceptibility and lacked detectable vesicle trafficking domains. We here identified the first protein of this group that is important for asexual blood stage development and showed that it likely is involved in invasion. Overall, this work identified novel proteins functioning in endocytosis and at the K13 compartment. Together with comparisons of structural predictions it provides a repertoire of functional domains at the K13 compartment that indicate a high level of adaption of endocytosis in malaria parasites.

ABSTRACT Taxa-specific proteins are key determinants defining the biology of all organisms and represent prime drug targets in pathogens. However, lacking comparability with proteins in other lineages makes them particularly difficult to study. In malaria parasites this is exacerbated by technical limitations. Here, we analysed the cellular location, essentiality, function and, in selected cases, interactome of all unknown non-secretory proteins encoded on an entire P. falciparum chromosome. The nucleus was the most common localisation, indicating it is a hotspot of parasite-specific biology. More in-depth functional studies with four proteins revealed essential roles in DNA replication and mitosis. The novel mitosis proteins defined a possible orphan complex and a highly diverged complex needed for the spindle-kinetochore connection. Structure-function comparisons indicated that the taxa-specific proteins evolved by different mechanisms. This work demonstrates the feasibility of gene-by-gene screens to elucidate the biology of malaria parasites and reveal critical parasite-specific processes of interest as drug targets.

Abstract Intracellular malaria blood stage parasites remodel their host cell, a process essential for parasite survival and a cause of pathology in malaria infections. Host cell remodeling depends on the export of different classes of exported parasite proteins into the infected red blood cell (RBC). Here we show that members of a recently discovered group of difficult to predict exported proteins harbor an N-terminal export domain, similar to other classes of exported proteins, indicating that this is a common theme among all classes of exported proteins. For one such protein, MSRP6 (MSP-7 related protein 6), we identified a second, untypical export-mediating domain that corresponded to its MSP7-like region. In addition to its function in export, this domain also mediated attachment to the Maurer’s clefts, prominent parasite-induced structures in the host cell where MSRP6 is located. Using BioID with the Maurer’s clefts attachment domain of MSRP6 to identify interactors and compartment neighbors in live parasites we discovered a novel complex of proteins at the Maurer’s clefts. We show that this complex is necessary for the anchoring and maintaining the structural integrity of the Maurer’s clefts. The Maurer’s clefts are believed to be involved in the transport of the major virulence factor PfEMP1 to the host cell surface where it mediates cytoadherence of infected RBCs to endothelial cells, a main reason for the importance of host cell modifications for parasite virulence in the human host. Taking advantage of MSRP6 complex mutants and IT4 parasites that we modified to express only one specific PfEMP1 we find that abolishing Maurer’s clefts anchoring was neither needed for PfEMP1 transport to the host cell surface nor for cytoadherence. Altogether, this work reveals parasite proteins involved in Maurer’s clefts anchoring and maintenance and unexpectedly finds that these functions are dispensable for virulence factor transport and surface display.

PfEMP1 is a variable antigen displayed on red blood cells (RBCs) infected with the malaria parasite Plasmodium falciparum. PfEMP1 mediates binding of the infected cell to the endothelium of blood vessels, a major cause of severe manifestations of malaria. Each parasite encodes ~60 different PfEMP1 variants of which only one is expressed at a time and switching between variants underlies immune evasion in the host and variant-specific severity of disease. PfEMP1 expression heterogeneity between parasites complicates its study and hampers genetic modification approaches as in many cells the modified locus is not expressed. Here we used selection linked integration to generate parasites all expressing the same PfEMP1 variant and permitting genomic modification of the expressed locus. Using this system, we study PfEMP1 trafficking, generate cell lines binding to all major endothelial receptors, survey the protein environment from functional PfEMP1 in the host cell and identify new proteins needed for PfEMP1 mediated sequestration. Overall, these approaches facilitate the study of the molecular and cellular biology of the key virulence factor of malaria parasites.

ABSTRACT Mature gametocytes of Plasmodium ( P .) falciparum display a banana (falciform) shape conferred by a complex array of subpellicular microtubules (SPMT) associated to the inner membrane complex (IMC). Microtubule associated proteins (MAPs) define MT populations and modulate interaction to pellicular components. Several MAPs have been identified in Toxoplasma gondii and homologues can be found in the genome of Plasmodium species, but the function of these proteins for asexual and sexual development of malaria parasites is still unknown. Here we identified a novel subpellicular MAP, termed SPM3, that is conserved within the genus Plasmodium ., especially within the Laverania subgenus, but absent in other Apicomplexa. Conditional knockdown and targeted gene disruption of Pfspm3 in P. falciparum cause severe morphological defects during gametocytogenesis leading to round, non-falciform gametocytes with an aberrant SPMT pattern. In contrast, Pbspm3 knockout in P. berghei , a species with round gametocytes, caused no defect in gametocytogenesis, but sporozoites displayed an aberrant motility and a dramatic defect in sporozoite invasion of salivary glands leading to a decreased efficiency in transmission. Electron microscopy revealed a dissociation of the SPMT from the IMC in Pbspm3 knockout parasites suggesting a function of SPM3 in anchoring MTs to the IMC. Overall, our results highlight SPM3 as a pellicular component with essential functions for malaria parasite transmission. IMPORTANCE A key structural feature driving the transition between different life cycle stages of the malaria parasite is the unique three membrane “pellicle”, consisting of the parasite plasma membrane (PPM) and a double membrane structure underlying the PPM termed the “inner membrane complex” (IMC). Additionally, there are numerous linearly arranged intramembranous particles (IMPs) linked to the IMC, which likely link the IMC to the subpellicular microtubule cytoskeleton. Here we identify, localize and characterize a novel subpellicular microtubule associated protein unique to the genus Plasmodium ( P .). The knockout of this protein in the human infecting P. falciparum species result in malformed gametocytes and aberrant microtubules. We confirmed the microtubule association in the P. berghei rodent malaria homologue and show that its knockout results in a perturbated microtubule architecture, aberrant sporozoite motility and decreased transmission efficiency.

Abstract Membrane transport proteins perform crucial roles in cell physiology. The obligate intracellular parasite Plasmodium falciparum , an agent of human malaria, relies on membrane transport proteins for the uptake of nutrients from the host, disposal of metabolic waste, exchange of metabolites between organelles and generation and maintenance of transmembrane electrochemical gradients for its growth and replication within human erythrocytes. Despite their importance for Plasmodium cellular physiology, the functional roles of a number of membrane transport proteins remain unclear, which is particularly true for orphan membrane transporters that have no or limited sequence homology to transporter proteins in other evolutionary lineages. Therefore, in the current study, we applied endogenous tagging, targeted gene disruption, conditional knockdown and knockout approaches to investigate the subcellular localization and essentiality of six membrane transporters during intraerythrocytic development of P. falciparum parasites. They are localized at different subcellular structures – the food vacuole, the apicoplast, and the parasite plasma membrane – and four out of the six membrane transporters are essential during asexual development. Additionally, the plasma membrane resident transporter 1 (PMRT1, PF3D7_1135300), a unique Plasmodium -specific plasma membrane transporter, was shown to be essential for gametocytogenesis and functionally conserved within the genus Plasmodium . Overall, we reveal the importance of four orphan transporters to blood stage P. falciparum development, which have diverse intracellular localizations and putative functions. Importance Plasmodium falciparum -infected erythrocytes possess multiple compartments with designated membranes. Transporter proteins embedded in these membranes do not only facilitate movement of nutrients, metabolites and other molecules between these compartments, but are common therapeutic targets and can also confer antimalarial drug resistance. Orphan membrane transporter in P. falciparum without sequence homology to transporters in other evolutionary lineages and divergent to host transporters may constitute attractive targets for novel intervention approaches. Here, we localized six of these putative transporters at different subcellular compartments and probed into their importance during asexual parasite growth using reverse genetic approaches. In total, only two candidates turned out to be dispensable for the parasite, highlighting four candidates as putative targets for therapeutic interventions. This study reveals the importance of several orphan transporters to blood stage P. falciparum development.

ABSTRACT During the symptomatic human blood phase, malaria parasites replicate within red blood cells. Parasite proliferation relies on the uptake of nutrients, such as amino acids, from the host cell and the blood plasma, requiring transport across multiple membranes. Amino acids are delivered to the parasite through the parasite surrounding vacuolar compartment by specialized nutrient-permeable channels of the erythrocyte membrane and the parasitophorous vacuole membrane (PVM). However, further transport of amino acid across the parasite plasma membrane (PPM) is currently not well characterized. In this study, we focused on a family of Apicomplexan amino acid transporters (ApiATs) that comprises five members in Plasmodium falciparum . First, we localized four of the Pf ApiATs at the PPM using endogenous GFP-tagging. Next, we applied reverse genetic approaches to probe into their essentiality during asexual replication and gametocytogenesis. Upon inducible knockdown and targeted gene disruption a reduced asexual parasite proliferation was detected for Pf ApiAT2 and Pf ApiAT4. Functional inactivation of individual Pf ApiATs targeted in this study had no effect on gametocyte development. Our data suggest that individual Pf ApiATs are partially redundant during asexual in vitro proliferation and fully redundant during gametocytogenesis of P. falciparum parasites. IMPORTANCE Malaria parasites live and multiply inside cells. To facilitate their extremely fast intracellular proliferation they hijack and transform their host cells. This also requires the active uptake of nutrients, such as amino acids, from the host cell and the surrounding environment through various membranes that are the consequence of the parasite’s intracellular lifestyle. In this manuscript we focus on a family of putative amino acid transporters termed ApiAT. We show expression and localization of four transporters in the parasite plasma membrane of Plasmodium falciparum -infected erythrocytes that represent one interface of the pathogen to its host cell. We probed into the impact of functional inactivation of individual transporters on parasite growth in asexual and sexual blood stages of P. falciparum and reveal that only two of them show a modest but significant reduction in parasite proliferation but no impact on gametocytogenesis pointing towards redundancy within this transporter family.