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.

Malaria parasites must produce gametocytes for transmission to the mosquito vector, although the molecular mechanisms underlying commitment to gametocyte production remain unclear; here this process is found to be controlled by PbAP2-G, a member of the ApiAP2 family of DNA-binding proteins, in the rodent-infecting Plasmodium berghei parasite. For malaria parasites to be transmitted to the mosquito vector they must undergo sexual development and produce gametocytes. The molecular mechanisms underlying the commitment to gametocyte development have been unclear. Two complementary manuscripts now show that AP2-G, a member of the apicomplexan AP2 family of transcription factors, is a master regulator of sexual development in the malaria parasite, acting as a developmental switch by triggering the transcription of early gametocyte genes. Abhinav Sinha et al. worked with the rodent malaria parasite Plasmodium berghei, and Björn Kafsack et al. with the human pathogen P. falciparum. AP2-G activity in human infectious malaria parasites could be a potential target for antimalarials designed to interfere with gametocyte formation. Commitment to and completion of sexual development are essential for malaria parasites (protists of the genus Plasmodium) to be transmitted through mosquitoes1. The molecular mechanism(s) responsible for commitment have been hitherto unknown. Here we show that PbAP2-G, a conserved member of the apicomplexan AP2 (ApiAP2) family of DNA-binding proteins, is essential for the commitment of asexually replicating forms to sexual development in Plasmodium berghei, a malaria parasite of rodents. PbAP2-G was identified from mutations in its encoding gene, PBANKA_143750, which account for the loss of sexual development frequently observed in parasites transmitted artificially by blood passage. Systematic gene deletion of conserved ApiAP2 genes in Plasmodium confirmed the role of PbAP2-G and revealed a second ApiAP2 member (PBANKA_103430, here termed PbAP2-G2) that significantly modulates but does not abolish gametocytogenesis, indicating that a cascade of ApiAP2 proteins are involved in commitment to the production and maturation of gametocytes. The data suggest a mechanism of commitment to gametocytogenesis in Plasmodium consistent with a positive feedback loop involving PbAP2-G that could be exploited to prevent the transmission of this pernicious parasite.

A family of apicomplexa-specific proteins containing AP2 DNA-binding domains (ApiAP2s) was identified in malaria parasites. This family includes sequence-specific transcription factors that are key regulators of development. However, functions for the majority of ApiAP2 genes remain unknown. Here, a systematic knockout screen in Plasmodium berghei identified ten ApiAP2 genes that were essential for mosquito transmission: four were critical for the formation of infectious ookinetes, and three were required for sporogony. We describe non-essential functions for AP2-O and AP2-SP proteins in blood stages, and identify AP2-G2 as a repressor active in both asexual and sexual stages. Comparative transcriptomics across mutants and developmental stages revealed clusters of co-regulated genes with shared cis promoter elements, whose expression can be controlled positively or negatively by different ApiAP2 factors. We propose that stage-specific interactions between ApiAP2 proteins on partly overlapping sets of target genes generate the complex transcriptional network that controls the Plasmodium life cycle.

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.

Avian malaria parasites are prevalent around the world, and infect a wide diversity of bird species. Here we report the sequencing and analysis of high quality draft genome sequences for two avian malaria species, Plasmodium relictum and Plasmodium gallinaceum. We identify 50 genes that are specific to avian malaria, located in an otherwise conserved core of the genome that shares gene synteny with all other sequenced malaria genomes. Phylogenetic analysis suggests that the avian malaria species form an outgroup to the mammalian Plasmodium species and using amino acid divergence between species, we estimate the avian and mammalian-infective lineages diverged in the order of 10 million years ago. Consistent with their phylogenetic position, we identify orthologs of genes that had previously appeared to be restricted to the clades of parasites containing P. falciparum and P. vivax, the species with the greatest impact on human health. From these orthologs, we explore differential diversifying selection across the genus and show that the avian lineage is remarkable in the extent to which invasion related genes are evolving. The subtelomeres of the P. relictum and P. gallinaceum genomes contain several novel gene families, including an expanded surf multigene family. We also identify an expansion of reticulocyte binding protein homologs in P. relictum and within these proteins, we detect distinct regions that are specific to non-human primate, humans, rodent and avian hosts. For the first time in the Plasmodium lineage we find evidence of transposable elements, including several hundred fragments of LTR-retrotransposons in both species and an apparently complete LTR-retrotransposon in the genome of P. gallinaceum.

Abstract The malaria parasite life cycle includes asexual replication in human blood, with a proportion of parasites differentiating to gametocytes required for transmission to mosquitoes. Commitment to differentiate into gametocytes, which is marked by activation of the parasite transcription factor ap2-g , is known to be influenced by host factors but a comprehensive model remains uncertain. Here we analyze data from 828 children in Kilifi, Kenya with severe, uncomplicated, and asymptomatic malaria infection over 18 years of falling malaria transmission. We examine markers of host immunity and metabolism, and markers of parasite growth and transmission investment. We find that inflammatory responses and reduced plasma lysophosphatidylcholine levels are associated with markers of increased investment in parasite sexual reproduction (i.e., transmission investment) and reduced growth (i.e., asexual replication). This association becomes stronger with falling transmission and suggests that parasites can rapidly respond to the within-host environment, which in turn is subject to changing transmission.