Manipulating M factor alters mosquito sex Female mosquitoes feed on blood and in so doing transmit pathogens to millions annually. Although the molecular mechanism for determining sex in many animals is known, the specific factors in mosquitoes have been elusive. This is because sex determination in insects involves a section of the genome that is highly repetitive. Hall et al. now identify a male-determining factor (M factor) in Aedes aegypti. Manipulation of the M factor produced sex-change phenotypes. Knocking out the gene Nix resulted in feminized males, and ectopic expression gave masculinized females. These findings should help to advance strategies for converting female mosquitoes into nonbiting males. Science , this issue p. 1268

Abstract As the malaria parasite becomes resistant to every drug that we develop, identification and development of novel drug candidates is essential. Many studies have screened compounds designed to target the clinically important blood stages. However, if we are to shrink the malaria map, new drugs that block transmission of the parasite are needed. Sporozoites are the infective stage of the malaria parasite, transmitted to the mammalian host as mosquitoes probe for blood. Sporozoite motility is critical to their ability to exit the inoculation site and establish infection and drug-like compounds targeting motility are effective in blocking infection in the rodent malaria model. In this study, we established a moderate throughput motility assay for sporozoites of the human malaria parasite Plasmodium falciparum , enabling us to screen the 400 drug-like compounds from the Pathogen box provided by Medicines for Malaria Venture for their activity. Compounds exhibiting inhibitory effects on P. falciparum sporozoite motility were further assessed against transmission-blocking activity and asexual stage growth. Five compounds had a significant inhibitory effect on P. falciparum sporozoite motility at 1 μM concentration and four of these compounds also showed significant inhibition on transmission of P. falciparum gametocytes to the mosquito and of these four, three had previously been shown to have inhibitory activity on asexual blood stage parasites. Our findings provide new antimalarial drug candidates that have multi-stage activity.

The human malaria parasite Plasmodium falciparum causes disease as it replicates within the host's erythrocytes. We have found that an erythrocyte serine hydrolase, acylpeptide hydrolase (APEH), accumulates within developing asexual parasites. Internalization of APEH was associated with a proteolytic event that reduced the size of the catalytic polypeptide from 80 to 55 kDa, which suggests that the enzyme resides in the food vacuole. A triazole urea APEH inhibitor, termed AA74-1, was employed to characterize the role of parasite-internalized APEH. In vitro, AA74-1 was a potent and highly selective inhibitor of both host erythrocyte and parasite-internalized APEH. When added to cultures of parasite-infected erythrocytes, AA74-1 was a relatively poor inhibitor of replication over one asexual replication cycle; however, its potency increased dramatically after a second cycle. This enhancement of potency was not abrogated by the addition of exogenous isopentenyl pyrophosphate, which distinguishes it from the well-characterized 'delayed death' phenomenon that is observed with inhibitors that target the parasite apicoplast. Analysis of inhibition by AA74-1 in vivo revealed that a concentration of 100 nM was sufficient to quantitatively inhibit erythrocyte APEH. In contrast, the parasite-internalized APEH pool was inefficiently inhibited at concentrations up to 100-fold higher. Together, these findings provide evidence for an essential catalytic role for parasite-internalized APEH and suggest a model for AA74-1 growth inhibition whereby depletion of parasite APEH activity requires the internalization of inactive host cell APEH over two replication cycles.

Abstract Iron sulfur clusters (FeS) are ancient and ubiquitous protein cofactors that play fundamental roles in many aspects of cell biology. These cofactors cannot be scavenged or trafficked within a cell and thus must be synthesized in any subcellular compartment where they are required. We examined the FeS synthesis proteins found in the relict plastid organelle, called the apicoplast, of the human malaria parasite Plasmodium falciparum. Using a chemical bypass method, we deleted four of the FeS pathway proteins involved in sulfur acquisition and cluster assembly and demonstrated that they are all essential for parasite survival. However, the effect that these deletions had on the apicoplast organelle differed. Deletion of the cysteine desulfurase SufS led to disruption of the apicoplast organelle and loss of the organellar genome, whereas the other deletions did not affect organelle maintenance. Ultimately, we discovered that the requirement of SufS for organelle maintenance is not driven by its role in FeS biosynthesis, but rather, by its function in generating sulfur for use by MnmA, a tRNA modifying enzyme that we localized to the apicoplast. By complementing the activity of the parasite MnmA and SufS with a bacterial MnmA and its cognate cysteine desulfurase, we showed that the parasite SufS provides sulfur for both FeS biosynthesis and tRNA modification in the apicoplast. The dual role of parasite SufS is likely to be found in other plastid-containing organisms and highlights the central role of this enzyme in plastid biology.

Rising numbers of malaria cases and deaths underscore the need for new interventions. Long-acting injectable medications, such as those now in use for HIV prophylaxis, offer the prospect of a malaria "chemical vaccine", combining the efficacy of a drug (like atovaquone) with the durability of a biological vaccine. Of concern, however, is the possible selection and transmission of drug-resistant parasites. We addressed this question by generating clinically relevant, highly atovaquone-resistant, Plasmodium falciparum mutants competent to infect mosquitoes. Isogenic paired strains, that differ only by a single Y268S mutation in cytochrome b, were evaluated in parallel in southeast Asian (Anopheles stephensi) or African (Anopheles gambiae) mosquitoes, and thence in humanized mice. Fitness costs of the mutation were evident along the lifecycle, in asexual parasite growth in vitro and in a progressive loss of parasites in the mosquito. In numerous independent experiments, microscopic exam of salivary glands from hundreds of mosquitoes failed to detect even one Y268S sporozoite, a defect not rescued by coinfection with wild type parasites. Furthermore, despite uniformly successful transmission of wild type parasites from An. stephensi to FRG NOD huHep mice bearing human hepatocytes and erythrocytes, multiple attempts with Y268S-fed mosquitoes failed: there was no evidence of parasites in mouse tissues by microscopy, in vitro culture, or PCR. These studies confirm a severe-to-lethal fitness cost of clinically relevant atovaquone-resistant P. falciparum in the mosquito, and they significantly lessen the likelihood of their transmission in the field.

The circular genome of the Plasmodium falciparum apicoplast contains a complete minimal set of tRNAs, positioning the apicoplast as an ideal model for studying the fundamental factors required for protein translation. Modifications at tRNA wobble base positions, such as xm5s2U, are critical for accurate protein translation. These modifications are ubiquitously found in tRNAs decoding two-family box codons ending in A or G in prokaryotes and in eukaryotic organelles. Here, we investigated the xm5s2U biosynthetic pathway in the apicoplast of P. falciparum. Through comparative genomics, we identified apicoplast-targeted orthologs of key modification enzymes: SufS, MnmA, MnmE, and MnmG. While SufS and MnmA were previously shown to catalyze s2U modifications, we now demonstrate that MnmE and MnmG are essential for apicoplast maintenance. Notably, we found that P. falciparum lacks orthologs of MnmC, MnmL, and MnmM, suggesting that the parasites contain a minimal xm5s2U biosynthetic pathway similar to that found in bacteria with reduced genomes. Deletion of either MnmE or MnmG resulted in apicoplast disruption and parasite death, mimicking the phenotype observed in ΔmnmA parasites. Our data strongly support the presence and essentiality of xm5s2U modifications in apicoplast tRNAs. This study advances our understanding of the minimal requirements for protein translation in the apicoplast organelle.