Summary A unique aspect of apicomplexan biology is the requirement for egress from and invasion into host red blood cells (RBCs). The cellular mechanisms and molecular mediators of RBC egress and invasion remain poorly characterized in Babesia spp., a group of parasites of veterinary importance and emerging cause of zoonotic disease. Through the use of video microscopy, transcriptomics, and chemical genetics we have implicated signaling, proteases and gliding motility in egress and/or invasion by Babesia divergens . We developed CRISPR/Cas9 and two inducible knockdown systems to perform a genetic screen of putative mediators of egress. We found that proteases ASP2 and ASP3 are required for invasion, and the latter is also required for egress. Strikingly, parasites continue to replicate intracellularly in the absence of the protein kinases, PKG or CDPK4, indicating that they are required for exit from the replication cycle and egress. These essential molecules present druggable targets for Babesia spp . All together we have established a molecular framework for the spread of infection through host RBCs, with egress of B. divergens more closely resembling T. gondii than the more evolutionarily related Plasmodium spp. Highlights Egress in Babesia divergens requires host cell lysis and parasite motility Transcriptomics can be used to identify egress and invasion proteins Knockdown of the proteases, ASP2 and ASP3, inhibit egress and invasion Inhibition of PKG or CDPK4 signaling results in continued intracellular replication

ABSTRACT Babesia is a genus of Apicomplexan parasites that infect red blood cells in vertebrate hosts. Pathology occurs during rapid replication cycles in the asexual blood-stage of infection. Current knowledge of Babesia replication cycle progression and regulation is limited and relies mostly on comparative studies with related parasites. Due to limitations in synchronizing Babesia parasites, fine-scale time-course transcriptomic resources are not readily available. Single-cell transcriptomics provides a powerful unbiased alternative for profiling asynchronous cell populations. Here, we applied single-cell RNA sequencing to three Babesia species ( B. divergens, B. bovis , and B. bigemina) . We used analytical approaches and algorithms to map the replication cycle and construct pseudo-synchronized time-course gene expression profiles. We identify clusters of co-expressed genes showing just-in-time expression profiles, with gradually cascading peaks throughout asexual development. Moreover, clustering analysis of reconstructed gene curves reveals coordinated timing of peak expression in epigenetic markers and transcription factors. Using a regularized Gaussian Graphical Model, we reconstructed co-expression networks and identified conserved and species-specific nodes. Motif analysis of a co-expression interactome of AP2 transcription factors identified specific motifs previously reported to play a role in DNA replication in Plasmodium species. Finally, we present an interactive web-application to visualize and interactively explore the datasets.

Abstract Cellular reproduction defines life, yet our textbook-level understanding of cell division is limited to a small number of model organisms centered around humans. The horizon on cell division variants is expanded here by advancing insights on the fascinating cell division modes found in the Apicomplexa, a key group of protozoan parasites. The Apicomplexa display remarkable variation in offspring number, whether karyokinesis follows each S/M-phase or not, and whether daughter cells bud in the cytoplasm or bud from the cortex. We find that the terminology used to describe the various manifestations of asexual apicomplexan cell division emphasizes either the number of offspring or site of budding, which are not directly comparable features and has led to confusion in the literature. Division modes have been primarily studied in two human pathogenic Apicomplexa, malaria-causing Plasmodium spp. and Toxoplasma gondii , a major cause of opportunistic infections. Plasmodium spp. divide asexually by schizogony, producing multiple daughters per division round through a cortical budding process, though at several life-cycle nuclear amplifications are not followed by karyokinesis. T. gondii divides by endodyogeny producing two internally budding daughters per division round. Here we add to this diversity in replication mechanisms by considering the cattle parasite Babesia bigemina and the pig parasite Cystoisospora suis. B. bigemina produces two daughters per division round by a ‘binary fission’ mechanism whereas C. suis produces daughters through both endodyogeny and multiple internal budding known as endopolygeny. In addition, we provide new data from the causative agent of equine protozoal myeloencephalitis (EPM), Sarcocystis neurona , which also undergoes endopolygeny but differs from C. suis by maintaining a single multiploid nucleus. Overall, we operationally define two principally different division modes: internal budding found in cyst-forming Coccidia (comprising endodyogeny and two forms of endopolygeny) and external budding found in the other parasites studied (comprising the two forms of schizogony, binary fission and multiple fission). Progressive insights into the principles defining the molecular and cellular requirements for internal versus external budding, as well as variations encountered in sexual stages are discussed. The evolutionary pressures and mechanisms underlying apicomplexan cell division diversification carries relevance across Eukaryota. Contribution to the Field Mechanisms of cell division vary dramatically across the Tree of Life, but the mechanistic basis has only been mapped for several model organisms. Here we present cell division strategies across Apicomplexa, a group of obligate intracellular parasites with significant impact on humans and domesticated animals. Asexual apicomplexan cell division is organized around assembly of daughter buds, but division forms differ in the cellular site of budding, number of offspring per division round, whether each S-phase follows karyokinesis and if mitotic rounds progress synchronously. This varies not just between parasites, but also between different life-cycle stages of a given species. We discuss the historical context of terminology describing division modes, which has led to confusion on how different modes relate to each other. Innovations in cell culture and genetics together with light microscopy advances have opened up cell biological studies that can shed light on this puzzle. We present new data for three division modes barely studied before. Together with existing data, we show how division modes are organized along phylogenetic lines and differentiate along external and internal budding mechanisms. We also discuss new insights into how the variations in division mode are regulated at the molecular level, and possess unique cell biological requirements.

Abstract A key element of Plasmodium biology and pathogenesis is the trafficking of ~10% of the parasite proteome into the host red blood cell (RBC) it infects. To cross the parasite-encasing parasitophorous vacuole membrane, exported proteins utilise a channel-containing protein complex termed the Plasmodium translocon of exported proteins (PTEX). PTEX is obligatory for parasite survival, both in vitro and in vivo , suggesting that at least some exported proteins have essential metabolic functions. However, to date only one essential PTEX-dependent process, the new permeability pathway, has been described. To identify other essential PTEX-dependant proteins/processes, we conditionally knocked down the expression of one of its core components, PTEX150, and examined which metabolic pathways were affected. Surprisingly, the food vacuole mediated process of haemoglobin (Hb) digestion was substantially perturbed by PTEX150 knockdown. Using a range of transgenic parasite lines and approaches, we show that two major Hb proteases; falcipain 2a and plasmepsin II, interact with PTEX core components, implicating the translocon’s involvement in the trafficking of Hb proteases. We propose a model where these proteases are translocated into the PV via PTEX in order to reach the cytostome, located at the parasite periphery, prior to food vacuole entry. This work offers a another mechanistic explanation for why PTEX function is essential for growth of the parasite within its host RBC. Author summary Plasmodium falciparum is the causative agent of the most severe form of malaria in humans, where the symptoms of the disease are derived from the continuous asexual replication of the parasite within the human red blood cells (RBCs) it infects. To survive within this niche, the parasite exports hundreds of parasite effector proteins across the vacuole it resides within and into the RBC. About a quarter of the exported proteins appear to be essential during the blood stage but the functions of these proteins largely remain uncharacterised. Protein export is facilitated by an essential protein complex termed the Plasmodium translocon of exported proteins (PTEX). Conditional depletion of PTEX’s core components results in rapid parasite death presumably because essential proteins do not reach their functional destination in the RBC and their associated metabolic functions cannot be performed. To uncover what these essential metabolic functions are we knocked down PTEX150, a core component of PTEX. Metabolic analysis of the knockdown parasites indicated that haemoglobin (Hb) digestion was inhibited resulting in a reduction of Hb derived peptides, which serve as an amino acid source for the parasite. We determined that knocking down HSP101, another PTEX core component, also disrupted the Hb digestion pathway. Furthermore, we provide evidence that reduction of Hb digestion might be due to the failure to efficiently deliver early acting Hb digesting proteases to the cytostome, a specialised location where vesicles of Hb are taken into the parasite. PTEX may therefore play a role in delivering Hb proteases to the cytostome.

Asexual proliferation of the Plasmodium parasites that cause malaria follow a developmental program that alternates non-canonical intraerythrocytic replication with dissemination to new host cells. We carried out a functional analysis of the Plasmodium falciparum homolog of Protein Phosphatase 1 ( Pf PP1), a universally conserved cell cycle factor in eukaryotes, to investigate regulation of parasite proliferation. Pf PP1 is indeed required for efficient replication, but is absolutely essential for egress of parasites from host red blood cells. A phosphoproteomic screen and chemical-genetic analysis provided evidence for a HECT E3 protein-ubiquitin ligase, as well as a fusion protein with guanylyl cyclase and phospholipid transporter domains, as functional targets of Pf PP1. Extracellular phosphatidylcholine stimulates Pf PP1-dependent egress. Parasite Pf PP1 acts as a master regulator that can integrate multiple cell-intrinsic pathways with external signals to direct parasite egress from host cells.

Abstract Babesiosis is an emerging zoonosis and widely distributed veterinary infection caused by 100+ species of Babesia parasites. The diversity of Babesia parasites, coupled with the lack of potent inhibitors necessitates the discovery of novel conserved druggable targets for the generation of broadly effective antibabesials. Here, we describe a comparative chemogenomics (CCG) pipeline for the identification of novel and conserved targets. CCG relies on parallel in vitro evolution of resistance in independent populations of evolutionarily-related Babesia spp. ( B. bovis and B. divergens ). We identified a potent antibabesial inhibitor from the Malaria Box, MMV019266. We were able to select for resistance to this compound in two species of Babesia, achieving 10-fold or greater resistance after ten weeks of intermittent selection. After sequencing of multiple independently derived lines in the two species, we identified mutations in a single conserved gene in both species: a membrane-bound metallodependent phosphatase (putatively named PhoD). In both species, the mutations were found in the phoD-like phosphatase domain, proximal to the predicted ligand binding site. Using reverse genetics, we validated that mutations in PhoD confer resistance to MMV019266. We have also demonstrated that PhoD localizes to the endomembrane system and partially with the apicoplast. Finally, conditional knockdown and constitutive overexpression of PhoD alter the sensitivity to MMV019266 in the parasite: overexpression of PhoD results in increased sensitivity to the compound, while knockdown increases resistance, suggesting PhoD is a resistance mechanism. Together, we have generated a robust pipeline for identification of resistance loci, and identified PhoD as a novel determinant of resistance in Babesia species. Highlights Use of two species for in vitro evolution identifies a high confidence locus associated with resistance Resistance mutation in phoD was validated using reverse genetics in B. divergens Perturbation of phoD using function genetics results in changes in the level of resistance to MMV019266 Epitope tagging reveals localization to the ER/apicoplast, a conserved localization with a similar protein in diatoms Together, phoD is a novel resistance determinant in multiple Babesia spp .