Methods to deconvolve single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data are necessary for samples containing a mixture of genotypes, whether they are natural or experimentally combined. Multiplexing across donors is a popular experimental design that can avoid batch effects, reduce costs and improve doublet detection. By using variants detected in scRNA-seq reads, it is possible to assign cells to their donor of origin and identify cross-genotype doublets that may have highly similar transcriptional profiles, precluding detection by transcriptional profile. More subtle cross-genotype variant contamination can be used to estimate the amount of ambient RNA. Ambient RNA is caused by cell lysis before droplet partitioning and is an important confounder of scRNA-seq analysis. Here we develop souporcell, a method to cluster cells using the genetic variants detected within the scRNA-seq reads. We show that it achieves high accuracy on genotype clustering, doublet detection and ambient RNA estimation, as demonstrated across a range of challenging scenarios. Souporcell clusters single-cell RNA-seq data using genotype information without the use of a genotype reference.

Malaria parasites adopt a remarkable variety of morphological life stages as they transition through multiple mammalian host and mosquito vector environments. We profiled the single-cell transcriptomes of thousands of individual parasites, deriving the first high-resolution transcriptional atlas of the entire

Single-cell RNA-sequencing is revolutionising our understanding of seemingly homogeneous cell populations but has not yet been widely applied to single-celled organisms. Transcriptional variation in unicellular malaria parasites from the Plasmodium genus is associated with critical phenotypes including red blood cell invasion and immune evasion, yet transcriptional variation at an individual parasite level has not been examined in depth. Here, we describe the adaptation of a single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) protocol to deconvolute transcriptional variation for more than 500 individual parasites of both rodent and human malaria comprising asexual and sexual life-cycle stages. We uncover previously hidden discrete transcriptional signatures during the pathogenic part of the life cycle, suggesting that expression over development is not as continuous as commonly thought. In transmission stages, we find novel, sex-specific roles for differential expression of contingency gene families that are usually associated with immune evasion and pathogenesis.

Summary The transmission of malaria parasites from vertebrate host to mosquito vector requires a developmental switch in asexually dividing blood-stage parasites to sexual reproduction. In Plasmodium berghei the transcription factor AP2-G is required and sufficient for this switch, but how a particular sex is determined in a haploid parasite remains unknown. Using a global screen of barcoded mutants, we here identify ten genes essential for the formation of either male or female sexual forms and validate their importance for transmission. High-resolution single-cell transcriptomics of wild-type and mutant parasites portrays the developmental bifurcation and reveals a regulatory cascade of putative gene functions in determination and subsequent differentiation of each sex. A male-determining gene with a LOTUS/OST-HTH domain points towards unexpected conservation of molecular mechanisms of gametogenesis in animals and a distantly related eukaryotic parasite.

Abstract Single-cell RNA-sequencing is revolutionising our understanding of seemingly homogeneous cell populations, but has not yet been applied to single cell organisms. Here, we established a method to successfully investigate transcriptional variation across individual malaria parasites. We discover an unexpected, discontinuous program of transcription during asexual growth previously masked by bulk analyses, and uncover novel variation among sexual stage parasites in their expression of gene families important in host-parasite interactions.

Plasmodium malariae is the third most prevalent human malaria parasite species and contributes significantly to morbidity. Nevertheless, our comprehension of this parasite’s biology remains limited, primarily due to its frequent co-infections with other species and the lack of a continuous in vitro culture system. To effectively combat and eliminate this overlooked parasite, it is imperative to acquire a better understanding of this species. In this study, we embarked on an investigation of P. malariae , including exploring its clinical disease characteristics, molecular aspects of red blood cell (RBC) invasion, and host-cell preferences. We conducted our research using parasites collected from infected individuals in Mali. Our findings revealed anaemia in most of P. malariae infected participants presented, in both symptomatic and asymptomatic cases. Regarding RBC invasion, quantified by an adapted flow cytometry based method, our study indicated that none of the seven antibodies tested, against receptors known for their role in P. falciparum invasion, had any impact on the ability of P. malariae to penetrate the host cells. However, when RBCs were pre-treated with various enzymes (neuraminidase, trypsin, and chymotrypsin), we observed a significant reduction in P. malariae invasion, albeit not a complete blockade. Furthermore, in a subset of P. malariae samples, we observed the parasite’s capability to invade reticulocytes. These results suggest that P. malariae employs alternative pathways to enter RBCs of different maturities, which may differ from those used by P. falciparum .

Malaria parasites adopt a remarkable variety of morphological life stages as they transition through multiple mammalian host and mosquito vector environments. Here we profile the single-cell transcriptomes of thousands of individual parasites, deriving the first high-resolution transcriptional atlas of the entire Plasmodium berghei life cycle. We then use our atlas to precisely define developmental stages of single cells from three different human malaria parasite species, including parasites isolated directly from infected individuals. The Malaria Cell Atlas provides both a comprehensive view of gene usage in a complex eukaryotic parasite and an open access reference data set for the study of malaria parasites.

Abstract The developmental decision made by malaria parasites to become sexual underlies all malaria transmission. Here, we describe a rich atlas of short and long-read single-cell transcriptomes of over 37,000 Plasmodium falciparum cells across intraerythrocytic asexual and sexual development. We used the atlas to explore transcriptional modules and exon usage along sexual development, and expanded it to include malaria parasites collected from a Malian individual naturally infected with multiple P. falciparum strains. We investigated genotypic and transcriptional heterogeneity within and among these wild strains at a single-cell level for the first time, finding considerable differential expression between different strains even within the same host. This work is a key addition to the Malaria Cell Atlas, enabling a deeper understanding of the biology and diversity of transmission stages. One sentence summary This addition to the Malaria Cell Atlas presents an analysis of sexual development and uses it to explore a natural infection.

Abstract Maturation rate of malaria parasites within red blood cells (RBC) can be influenced by host nutrient status or circadian rhythm. Here, we observed in mice that systemic host inflammation, induced by lipopolysaccharide (LPS) conditioning or ongoing acute malaria infection, slowed the progression of a single cohort of parasites from one generation of RBC to the next. LPS-conditioning and acute infection both triggered substantial changes to the metabolomic composition of plasma in which parasites circulated. This altered plasma directly slowed parasite maturation in a manner that could not be rescued by supplementation, consistent with the presence of inhibitory factors. Single-cell transcriptomic assessment of mixed parasite populations, exposed to a short period of systemic host inflammation in vivo , revealed specific impairment in the transcriptional activity and translational capacity of trophozoites compared to rings or schizonts. Thus, we provide in vivo evidence of transcriptomic and phenotypic plasticity of asexual blood-stage Plasmodium parasites when exposed to systemic host inflammation.

Methods to deconvolve single-cell RNA sequencing (scRNAseq) data are necessary for samples containing a natural mixture of genotypes and for scRNAseq experiments that multiplex cells from different donors[1][1]. Multiplexing across donors is a popular experimental design with many benefits including avoiding batch effects[2][2], reducing costs, and improving doublet detection. Using variants detected in the RNAseq reads, it is possible to assign cells to the individuals from which they arose. These variants can also be used to identify and remove cross-genotype doublet cells that may have highly similar transcriptional profiles precluding detection by transcriptional profile. More subtle cross-genotype variant contamination can be used to estimate the amount of ambient RNA in the system. Ambient RNA is caused by cell lysis prior to droplet partitioning and is an important confounder of scRNAseq analysis[3][3]. Souporcell is a novel method to cluster cells using only the genetic variants detected within the scRNAseq reads. We show that it achieves high accuracy on genotype clustering, doublet detection, and ambient RNA estimation as demonstrated across a wide range of challenging scenarios. [1]: #ref-1 [2]: #ref-2 [3]: #ref-3