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.

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.

Vesicular trafficking, including secretion and endocytosis, plays fundamental roles in the unique biology of P. falciparum blood-stage parasites. Endocytosis of host cell cytosol (HCC) provides nutrients and room for parasite growth and is critical for the action of antimalarial drugs and parasite drug resistance. Previous work showed that PfVPS45 functions in endosomal transport of HCC to the parasite's food vacuole, raising the possibility that malaria parasites possess a canonical endolysosomal system. However, the seeming absence of VPS45-typical functional interactors such as rabenosyn 5 (Rbsn5) and the re-purposing of Rab5 isoforms and other endolysosomal proteins for secretion in apicomplexans question this idea. Here we identified a parasite Rbsn5-like protein and show that it functions with VPS45 in the endosomal transport of HCC. We also show that PfRab5b but not PfRab5a is involved in the same process. Inactivation of PfRbsn5L resulted in PI3P and PfRab5b decorated HCC-filled vesicles, typical for endosomal compartments. Overall, this indicates that despite the low sequence conservation of PfRbsn5 and the unusual N-terminal modification of PfRab5b, principles of endosomal transport in malaria parasite are similar to that of model organisms. Using a conditional double protein inactivation system, we further provide evidence that the PfKelch13 compartment, an unusual apicomplexa-specific endocytosis structure at the parasite plasma membrane, is connected upstream of the Rbsn5/VPS45/Rab5b-dependent endosomal route. Altogether, this work indicates that HCC-uptake consists of a highly parasite-specific part that feeds endocytosed material into an endosomal system containing more canonical elements, leading to the delivery of HCC to the food vacuole.

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 The inner membrane complex (IMC) is a defining feature of apicomplexan parasites, which confers stability and shape to the cell, functions as a scaffolding compartment during the formation of daughter cells and plays an important role in motility and invasion during different life cycle stages of these single celled organisms. To explore the IMC proteome of the malaria parasite Plasmodium falciparum we applied a proximity-dependent biotin identification (BioID)-based proteomics approach, using the established IMC marker protein Photosensitized INA-Labelled protein 1 (PhIL1) as bait in asexual blood-stage parasites. Subsequent mass spectrometry-based peptide identification revealed enrichment of twelve known IMC proteins and several uncharacterized candidate proteins. We validated nine of these previously uncharacterized proteins by endogenous GFP-tagging. Six of these represent new IMC proteins, while three proteins have a distinct apical localization that most likely represent structures described as apical annuli in Toxoplasma gondii . Additionally, various Kelch13 interacting candidates were identified, suggesting an association of the Kelch13 compartment and the IMC in schizont and merozoite stages. This work extends the number of validated IMC proteins in the malaria parasite and reveals for the first time the existence of apical annuli proteins in P. falciparum. Additionally, it provides evidence for a spatial association between the Kelch13 compartment and the IMC in late blood-stage parasites.

Vesicular trafficking, including secretion and endocytosis, plays fundamental roles in the unique biology of Plasmodium falciparum blood-stage parasites. Endocytosis of host cell cytosol (HCC) provides nutrients and room for parasite growth and is critical for the action of antimalarial drugs and parasite drug resistance. Previous work showed that PfVPS45 functions in endosomal transport of HCC to the parasite’s food vacuole, raising the possibility that malaria parasites possess a canonical endolysosomal system. However, the seeming absence of VPS45-typical functional interactors such as rabenosyn 5 (Rbsn5) and the repurposing of Rab5 isoforms and other endolysosomal proteins for secretion in apicomplexans question this idea. Here, we identified a parasite Rbsn5-like protein and show that it functions with VPS45 in the endosomal transport of HCC. We also show that PfRab5b but not PfRab5a is involved in the same process. Inactivation of PfRbsn5L resulted in PI3P and PfRab5b decorated HCC-filled vesicles, typical for endosomal compartments. Overall, this indicates that despite the low sequence conservation of PfRbsn5L and the unusual N-terminal modification of PfRab5b, principles of endosomal transport in malaria parasite are similar to that of model organisms. Using a conditional double protein inactivation system, we further provide evidence that the PfKelch13 compartment, an unusual apicomplexa-specific endocytosis structure at the parasite plasma membrane, is connected upstream of the Rbsn5L/VPS45/Rab5b-dependent endosomal route. Altogether, this work indicates that HCC uptake consists of a highly parasite-specific part that feeds endocytosed material into an endosomal system containing more canonical elements, leading to the delivery of HCC to the food vacuole.

Abstract Plasmodium falciparum , the causative agent of malaria, poses a significant global health challenge, yet much of its biology remains elusive. A third of the genes in the P. falciparum genome lack annotations regarding their function, impeding our understanding of the parasite’s biology. In this study, we employed structure predictions and the DALI search algorithm to analyse proteins encoded by uncharacterized genes in the reference strain 3D7 of P. falciparum . By comparing Alphafold predictions to experimentally determined protein structures in the Protein Data Bank, we found similarities to known domains in 353 proteins of unknown function, shedding light on their potential functions. The lowest-scoring 5% of similarities were additionally validated using the size-independent TM-align algorithm, confirming the detected similarities in 88% of the cases. Notably, in over 70 P. falciparum proteins the presence of domains resembling heptatricopeptide repeats, which are typically involvement in RNA binding and processing, was detected. This suggests this family, which is important in transcription in mitochondria and apicoplasts, is much larger in Plasmodium parasites than previously thought. The results of this domain search provide a resource to the malaria research community that is expected to inform and enable experimental studies.

Phenotypic variation between malaria parasites is one of the major contributors to the pathogens success and is regulated by differences in heterochromatin-mediated gene silencing. Currently, the heterochromatin landscape is mostly profiled utilising chromatin immunoprecipitation followed by next-generation sequencing (ChIP-seq). However this technique has drawbacks regarding AT-content-related artifacts and requires substantial material and time investment, severely limiting profiling of scarce sample types (e.g. field isolates). In order to facilitate assessments of epigenetic states in low-input samples, we adopted the epigenetic profiling technique Cleavage Under Targets and Tagmentation (CUT&Tag) to Plasmodium falciparum parasites. Performing the reaction with 100,000 or even only 10,000 nuclei yielded reproducible results coherent with bulk-ChIP-seq data while using significantly less material. We also optimised sample preparation, permitting the use of crude saponin lysates, which decreases sample loss due to inefficient nuclei isolation and increases versatility of the protocol. Finally, we developed DiBioCUT&Tag, a novel way of utilising dimerisation-induced recruitment of biotin ligases for signal amplification prior to anti-biotin CUT&Tag, which we successfully deployed to profile both heterochromatin occupancy and a dynamically chromatin-associated protein (BDP5). Methods described here hence provide substantially improved means for epigenetic profiling of (transiently) chromatin-associated proteins from low-input samples in the malaria parasite and beyond.

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.