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Elizabeth Egan
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Coupling cryo-electron tomography with mixed-scale dense neural networks reveals re-organization of the invasion machinery of Toxoplasma gondii upon ionophore-stimulation

Li-av Segev-Zarko et al.Jan 12, 2022
Abstract Host cell invasion by intracellular, eukaryotic parasites within the phylum Apicomplexa, is a remarkable and active process involving the coordinated action of apical organelles and other structures. To date, capturing how these structures interact during invasion has been difficult to observe in detail. Here, we used cryogenic electron tomography to image the apical complex of Toxoplasma gondii tachyzoites under conditions that mimic resting parasites and those primed to invade through stimulation with calcium ionophore. Through the application of Mixed Scale Dense networks for image-processing, we developed a highly efficient pipeline for annotation of tomograms, enabling us to identify and extract densities of relevant subcellular organelles and accurately analyze features in 3D. The results reveal a dramatic change in the shape of the anteriorly located apical vesicle upon its apparent fusion with a rhoptry, that occurs only in the stimulated parasites. We also present information indicating that this vesicle originates from the vesicles that parallel the intraconoidal microtubules and that the latter two structures are linked by a novel tether. We show that a rosette structure previously proposed to be involved in rhoptry secretion is associated with apical vesicles beyond just the most anterior one. This result, suggesting multiple vesicles are primed to enable rhoptry secretion, may shed light on the mechanisms Toxoplasma employs to enable repeated invasion attempts. Using the same approach, we examine Plasmodium falciparum merozoites and show that they too possess an apical vesicle just beneath a rosette, demonstrating evolutionary conservation of this overall subcellular organization. Significance Statement Parasites in the phylum Apicomplexa are responsible for some of the most important parasitic diseases of humans, such as malaria and toxoplasmosis. Invasion by these obligatory, intracellular parasites depends on protein injection into the host cell. Using cryogenic electron tomography, we reveal evolutionarily conserved features shared by the invasive forms of Plasmodium falciparum and Toxoplasma gondii . By comparing resting Toxoplasma tachyzoites with those primed to invade we also gain new insight into the very first steps in invasion. For this work, we take an interdisciplinary approach, adopting a mixed-scale dense neural network that enables efficient and objective processing of the data. Combined, the results provide new information on how these important parasites accomplish the essential step of invasion.
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Cryogenic electron tomography reveals novel structures in the apical complex of Plasmodium falciparum

Stella Sun et al.Sep 16, 2022
Abstract Intracellular infectious agents, like the malaria parasite, Plasmodium falciparum , face the daunting challenge of how to invade a host cell. This problem may be even harder when the host cell in question is the enucleated red blood cell. Evolution has provided P. falciparum and related single-celled parasites within the phylum Apicomplexa with a collection of organelles at their apical end that mediate invasion. This apical complex includes at least two sets of secretory organelles, micronemes and rhoptries, and several structural features like apical rings and a putative pore through which proteins may be introduced into the host cell during invasion. In this paper, we perform cryogenic electron tomography (cryo-ET) on isolated merozoites to visualize the apical machinery. Through tomography reconstruction of cellular compartments, we see new details of known structures like the rhoptry tip interacting directly with a rosette resembling the recently described rhoptry-secretory-apparatus (RSA), or with an apical vesicle docked beneath the RSA. Subtomogram averaging reveals that the apical rings have a fixed number of repeating units, each of which is similar in overall size and shape to the units in the apical rings of tachyzoites of Toxoplasma gondii . Comparison of these polar rings in Plasmodium and Toxoplasma parasites also reveals them to have a structurally conserved assembly patterning. These results provide new insight into the essential features of this remarkable machinery used by apicomplexan parasites to invade their respective host cells.
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A common polymorphism in the druggable ion channel PIEZO1 is associated with protection from severe malaria

Christian Nguetse et al.Jul 3, 2019
Malaria caused by the Apicomplexan parasite Plasmodium falciparum has served as a strong evolutionary force throughout human history, selecting for red blood cell polymorphisms that confer innate protection against severe disease. Recently, gain-of-function mutations in the mechanosensitive ion channel PIEZO1 were shown to ameliorate Plasmodium parasite growth, blood-brain barrier dysfunction, and mortality in a mouse model of malaria. In humans, the gain-of-function allele PIEZO1 E756del is highly prevalent and enriched in Africans, raising the possibility that it is under positive selection due to malaria. Here we used a case-control study design to test for an association between PIEZO1 E756del and malaria severity among children in Gabon. We found that the E756del variant is strongly associated with protection against severe malaria in heterozygotes, independent of the protection conferred by the sickle cell trait (hemoglobin AS). In vitro experiments using donor red blood cells failed to find an effect of E756del on parasite growth, suggesting this variant confers a mild channel defect and/or that its protective effect may be mediated by other tissue types in vivo. Nonetheless, we show that Yoda1, a small molecule agonist of PIEZO1, has potent antimalarial activity in both E756del and wild-type red blood cells. Our findings demonstrate that PIEZO1 is an important innate determinant of malaria susceptibility in humans and holds potential as druggable host target for malaria control.
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