The genomes of malaria parasites contain many genes of unknown function. To assist drug development through the identification of essential genes and pathways, we have measured competitive growth rates in mice of 2,578 barcoded Plasmodium berghei knockout mutants, representing >50% of the genome, and created a phenotype database. At a single stage of its complex life cycle, P. berghei requires two-thirds of genes for optimal growth, the highest proportion reported from any organism and a probable consequence of functional optimization necessitated by genomic reductions during the evolution of parasitism. In contrast, extreme functional redundancy has evolved among expanded gene families operating at the parasite-host interface. The level of genetic redundancy in a single-celled organism may thus reflect the degree of environmental variation it experiences. In the case of Plasmodium parasites, this helps rationalize both the relative successes of drugs and the greater difficulty of making an effective vaccine.

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 Intracellular pathogens are known to mobilise host signaling pathways to manipulate gene expression in their host cell to promote their own survival. Surprisingly, evidence is emerging that specific signal transduction elements are activated in a-nucleated erythrocytes in response to infection with malaria parasites, but the extent of this phenomenon remains unknown. Here, we fill this knowledge gap by providing a comprehensive and dynamic assessment of host erythrocyte signaling during the course of infection with Plasmodium falciparum . We used an antibody microarray that comprises 878 antibodies directed against human signaling proteins, >600 of which are phospho-specific, to interrogate the status of host erythrocyte signaling pathways at three stages of parasite development during the asexual cycle. This confirmed the pre-existing fragmentary data on the activation of a PAK-MEK pathway, and revealed the modulation of a large number of additional signaling elements during infection. We focussed on the receptor tyrosine kinase c-MET, also known as the hepatocyte growth factor receptor, and the MAP kinase pathway component B-Raf that is reported to lie downstream of c-MET in a number of cell types. Array data validated by Western blotting revealed that activation sites of c-MET are phosphorylated in trophozoite-infected erythrocytes, and we show that treatment of parasite cultures with c-MET or B-Raf selective inhibitors have nanomolar potency against in vitro proliferation of P. falciparum and the phylogenetically distant species P. knowlesi . Furthermore, we demonstrate that a c-MET inhibitor impairs in vivo proliferation of the rodent malaria parasite P. berghei in mice. Overall, we provide a comprehensive dataset on the modulation of host erythrocyte signaling during infection with malaria parasites, as well as a proof of concept that human signaling kinases identified as activated by malaria infection represent attractive targets for antimalarial intervention.

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.