SUMMARY The replication of Plasmodium falciparum parasites within red blood cells (RBCs) causes severe disease in humans, especially in Africa. The influence of host RBC variation on parasite replication is largely uncharted, aside from a handful of deleterious alleles like sickle cell. Here, we integrated analyses of exome sequencing, RBC phenotyping, and parasite fitness assays on blood from 122 individuals, most with African ancestry. In donors lacking alleles for hemoglobinopathies or G6PD deficiency, RBC phenotypes including size, deformability, and hydration status explained 21-38% of the variation in parasite growth rate. With the addition of non-pathogenic polymorphisms in 14 RBC proteins including SPTA1, PIEZO1 , and ATP2B4 , our model explained 73-82% of the variation in parasite growth rate. Interestingly, we observed little evidence for divergent selection on this variation between Africans and Europeans. These findings suggest a model in which widespread, non-pathogenic variation in a moderate number of genes strongly modulates P. falciparum fitness in RBCs.

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.

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.

Abstract During the COVID-19 pandemic, there was a disruption in the supply of the widely used erythroid differentiation media product, Iscove’s Modified Dulbecco’s Medium, manufactured by Biochrom AG. IMDM is a critical component of ex vivo erythropoiesis protocols used to generate genetically modified red blood cells for the study of malaria host factors. Therefore, we set out to identify the best alternative IMDM product for efficient erythroid differentiation of hematopoietic stem cells into enucleated red blood cells for use in our research. We tested other IMDM products, including I2911 (from Millipore Sigma), P04-20450 (from Pan Biotech) and EP-CM-L0216 (from ElabScience Technologies) which are all marketed specifically as replacements for the Biochrom AG product. We found that while FG0465, I2911, and P04-20450 were all sufficient for ex-vivo erythropoiesis, FG0465 IMDM was superior to other products tested in supporting maximal erythroid cell proliferation and enucleation.

During development down the erythroid lineage, hematopoietic stem cells undergo dramatic changes to cellular morphology and function in response to a complex and tightly regulated program of gene expression. In malaria infection, Plasmodium spp . parasites accumulate in the bone marrow parenchyma, and emerging evidence suggests erythroblastic islands are a protective site for parasite development into gametocytes. While it has been observed that Plasmodium falciparum infection of late-stage erythroblasts can delay terminal erythroid differentiation and enucleation, the mechanism(s) underlying this phenomenon are unknown. Here, we apply RNA-seq after fluorescence-activated cell sorting (FACS) of infected erythroblasts to identify transcriptional responses to direct and indirect interaction with Plasmodium falciparum . Four developmental stages of erythroid cells were analyzed: proerythroblast, basophilic erythroblast, polychromatic erythroblast, and orthochromatic erythroblast. We found extensive transcriptional changes in infected erythroblasts compared to uninfected cells in the same culture, including dysregulation of genes involved in erythroid proliferation and developmental processes. Whereas some indicators of cellular oxidative and proteotoxic stress were common across all stages of erythropoiesis, many responses were specific to cellular processes associated with developmental stage. Together, our results evidence multiple possible avenues by which parasite infection can induce dyserythropoiesis at specific points along the erythroid continuum, advancing our understanding of the molecular determinants of malaria anemia.Erythroblasts at different stages of differentiation have distinct responses to infection by Plasmodium falciparum . P. falciparum infection of erythroblasts alters expression of genes related to oxidative and proteotoxic stress and erythroid development.

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.

Sequence variation among antigenic var genes enables Plasmodium falciparum malaria parasites to evade host immunity. Using long sequence reads from haploid clones from a mutation accumulation experiment, we detect var diversity inconsistent with simple chromosomal inheritance. We discover putatively circular DNA that is strongly enriched for var genes, which exist in multiple alleles per locus separated by recombination and indel events. Extrachromosomal DNA likely contributes to rapid antigenic diversification in P. falciparum.

Abstract Invasion of human erythrocytes by the malaria parasite Plasmodium falciparum is a multi-step process. Previously, a forward genetic screen for P. falciparum host factors identified erythrocyte CD55 as essential for invasion, but its specific role and how it interfaces with the other factors that mediate this complex process are unknown. Using CRISPR-Cas9 editing, antibody-based inhibition, and live cell imaging, here we show that CD55 is specifically required for parasite internalization. Pre-invasion kinetics, erythrocyte deformability, and echinocytosis were not influenced by CD55, but entry was inhibited when CD55 was blocked or absent. Visualization of parasites attached to CD55-null erythrocytes point to a role for CD55 in progression of the moving junction. Our findings demonstrate that CD55 acts after discharge of the parasite’s rhoptry organelles, and plays a unique role relative to all other invasion receptors. As the requirement for CD55 is strain-transcendent, these results suggest that CD55 or its interacting partners may hold potential as therapeutic targets for malaria.