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

Abstract Malaria parasites have a complex life cycle featuring diverse developmental strategies, each uniquely adapted to navigate specific host environments. Here we use single-cell transcriptomics to illuminate gene usage across the transmission cycle of the most virulent agent of human malaria – Plasmodium falciparum . We reveal developmental trajectories associated with the colonisation of the mosquito midgut and salivary glands and elucidate the transcriptional signatures of each transmissible stage. Additionally, we identify both conserved and nonconserved gene usage between human and rodent parasites, which point to both essential mechanisms in malaria transmission and species-specific adaptations potentially linked to host tropism. Together, the data presented here, which are made freely available via an interactive website, establish the most complete atlas of the P. falciparum transcriptional journey to date. One sentence summary Single-cell transcriptomics of P. falciparum transmission stages highlights developmental trajectories and gene usage.

Abstract Early diverging lineages such as trypanosomes can provide clues to the evolution of sexual reproduction in eukaryotes. In Trypanosoma brucei , the pathogen that causes Human African Trypanosomiasis, sexual reproduction occurs in the salivary glands of the insect host, but analysis of the molecular signatures that define these sexual forms is complicated because they mingle with more numerous, mitotically-dividing developmental stages. We used single-cell RNA-sequencing (scRNAseq) to profile 388 individual trypanosomes from midgut, proventriculus, and salivary glands of infected tsetse flies allowing us to identify tissue-specific cell types. Further investigation of salivary gland parasite transcriptomes revealed fine-scale changes in gene expression over a developmental progression from putative sexual forms through metacyclics expressing variant surface glycoprotein genes. The cluster of cells potentially containing sexual forms was characterized by high level transcription of the gamete fusion protein HAP2, together with an array of surface proteins and several genes of unknown function. We linked these expression patterns to distinct morphological forms using immunofluorescence assays and reporter gene expression to demonstrate that the kinetoplastid-conserved gene Tb927.10.12080 is exclusively expressed at high levels by meiotic intermediates and gametes. We speculate that this protein, currently of unknown function, plays a role in gamete formation and/or fusion.

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.

Resistance to artemisinin combination therapy (ACT) in the Plasmodium falciparum parasite is threatening to reverse recent gains in reducing global deaths from malaria. Whilst resistance manifests as delayed asexual parasite clearance in patients following ACT treatment, the phenotype can only spread geographically via the sexual cycle and subsequent transmission through the mosquito. Artemisinin and its derivatives (such as dihydroartemisinin, DHA) as well as killing the asexual parasite form are known to sterilize male, sexual-stage gametes from activation. Whether resistant parasites overcome this artemisinin-dependent sterilizing effect has not, however, been fully tested. Here, we analysed five P. falciparum clinical isolates from the Greater Mekong Subregion, each of which demonstrated delayed clinical clearance and carried known resistance-associated polymorphisms in the Kelch13 gene (PfK13var). As well as demonstrating reduced sensitivity to artemisinin-derivates in in vitro asexual growth assays, certain PfK13var isolates also demonstrated a marked reduction in sensitivity to these drugs in an in vitro male gamete activation assay compared to a sensitive control. Importantly, the same reduction in sensitivity to DHA was observed when the most resistant isolate was assayed by standard membrane feeding assays using Anopheles stephensi mosquitoes. These results indicate that ACT use can favour resistant over sensitive parasite transmission. A selective advantage for resistant parasite transmission could also favour acquisition of further polymorphisms, such as mosquito host-specificity or antimalarial partner-drug resistance in mixed infections. Favoured transmission of resistance under ACT coverage could have profound implications for the spread of multidrug resistant malaria beyond Southeast Asia.

Understanding the rate of evolutionary change and the genetic architecture that facilitates rapid adaptation is a current challenge in evolutionary biology. Comparative studies show that genes with immune function are among the most rapidly evolving genes in a range of taxa. Here, we use immune defense in natural populations of D. melanogaster to understand the rate of evolution in natural populations and the genetics underlying the rapid change. We probed the immune system using the natural pathogens Enterococcus faecalis and Providencia rettgeri to measure post-infection survival and bacterial load of wild D. melanogaster populations collected across seasonal time along a latitudinal transect on the eastern North America (Massachusetts, Pennsylvania, and Virginia). There are pronounced and repeatable changes in the immune response over approximately 10 generations between the spring and fall populations with a significant but less distinct difference among geographic locations. Genes with known immune function are not enriched among alleles that cycle with seasonal time, but the immune function of a subset of seasonally cycling alleles in immune genes was tested using reconstructed outbred populations. We find that flies containing seasonal alleles in Thioester-containing protein 3 (Tep3) have different functional responses to infection and that epistatic interactions among seasonal Tep3 and Drosomycin-like 6 (Dro6) alleles produce the immune phenotypes observed in natural populations. This rapid, cyclic response to seasonal environmental pressure broadens our understanding of the complex ecological and genetic interactions determining the evolution of immune defense in natural populations.

Abstract The mosquito midgut functions as a key interface between pathogen and vector. However, studies of midgut physiology and associated virus infection dynamics are scarce, and in Culex tarsalis – an extremely efficient vector of West Nile virus (WNV) – nonexistent. We performed single-cell RNA sequencing on Cx. tarsalis midguts, defined multiple cell types, and determined whether specific cell types are more permissive to WNV infection. We identified 20 cell states comprised of 8 distinct cell types, consistent with existing descriptions of Drosophila and Aedes aegypti midgut physiology. Most midgut cell populations were permissive to WNV infection. However, there were higher levels of WNV RNA (vRNA) in enteroendocrine cells and cells enriched for mitochondrial genes, suggesting enhanced replication in these populations. In contrast, proliferating intestinal stem cell (ISC) populations had the lowest levels of vRNA, a finding consistent with studies suggesting ISC proliferation in the midgut is involved in viral control. Notably, we did not detect significant WNV-infection induced upregulation of canonical mosquito antiviral immune genes (e.g., AGO2, R2D2, etc.) at the whole-midgut level. Rather, we observed a significant positive correlation between immune gene expression levels and vRNA in individual cells, suggesting that within midgut cells, high levels of vRNA may trigger antiviral responses. Our findings establish a Cx. tarsalis midgut cell atlas, and provide insight into midgut infection dynamics of WNV by characterizing cell-type specific enhancement/restriction of, and immune response to, infection at the single-cell level.