Intracellular malaria parasites require lipids for growth and replication. They possess a prokaryotic type II fatty acid synthesis (FAS II) pathway that localizes to the apicoplast plastid organelle and is assumed to be necessary for pathogenic blood stage replication. However, the importance of FAS II throughout the complex parasite life cycle remains unknown. We show in a rodent malaria model that FAS II enzymes localize to the sporozoite and liver stage apicoplast. Targeted deletion of FabB/F, a critical enzyme in fatty acid synthesis, did not affect parasite blood stage replication, mosquito stage development and initial infection in the liver. This was confirmed by knockout of FabZ, another critical FAS II enzyme. However, FAS II-deficient Plasmodium yoelii liver stages failed to form exo-erythrocytic merozoites, the invasive stage that first initiates blood stage infection. Furthermore, deletion of FabI in the human malaria parasite Plasmodium falciparum did not show a reduction in asexual blood stage replication in vitro. Malaria parasites therefore depend on the intrinsic FAS II pathway only at one specific life cycle transition point, from liver to blood.

Plasmodium parasites of mammals, including the species that cause malaria in humans, infect the liver first and develop there into clinically silent liver stages. Liver stages grow and ultimately produce thousands of first-generation merozoites, which initiate the erythrocytic cycles causing malaria pathology. Here, we present a Plasmodium protein with a critical function for complete liver stage development. UIS4 (up-regulated in infective sporozoites gene 4) is expressed exclusively in infective sporozoites and developing liver stages, where it localizes to the parasitophorous vacuole membrane. Targeted gene disruption of UIS4 in the rodent model malaria parasite Plasmodium berghei generated knockout parasites that progress through the malaria life cycle until after hepatocyte invasion but are severely impaired in further liver stage development. Immunization with UIS4 knockout sporozoites completely protects mice against subsequent infectious WT sporozoite challenge. Genetically attenuated liver stages may thus induce immune responses, which inhibit subsequent infection of the liver with WT parasites.

For 50 years since their discovery, the malaria parasite liver stages (LS) have been difficult to analyze, impeding their utilization as a critical target for antiinfection vaccines and drugs. We have undertaken a comprehensive transcriptome analysis in combination with a proteomic survey of LS. Green fluorescent protein-tagged Plasmodium yoelii (PyGFP) was used to efficiently isolate LS-infected hepatocytes from the rodent host. Genome-wide LS gene expression was profiled and compared with other parasite life cycle stages. The analysis revealed ≈2,000 genes active during LS development, and proteomic analysis identified 816 proteins. A subset of proteins appeared to be expressed in LS only. The data revealed exported parasite proteins and LS metabolic pathways including expression of FASII pathway enzymes. The FASII inhibitor hexachlorophene and the antibiotics, tetracycline and rifampicin, that target the apicoplast inhibited LS development, identifying FASII and other pathways localized in the apicoplast as potential drug targets to prevent malaria infection.

ABSTRACT Plasmodium falciparum ( Pf ) is causing the greatest malaria burden, yet the liver stages (LS) of this most important parasite species have remained poorly studied. Here, we used a human liver-chimeric mouse model in combination with a novel fluorescent Pf NF54 parasite line ( Pf NF54 csp GFP) to isolate Pf LS-infected hepatocytes and generate transcriptomes that cover the major LS developmental phases in human hepatocytes. RNA-seq analysis of early Pf LS trophozoites two days after infection, revealed a central role of translational regulation in the transformation of the extracellular invasive sporozoite into intracellular LS. The developmental time course gene expression analysis indicated that fatty acid biosynthesis, isoprenoid biosynthesis and iron metabolism are sustaining LS development along with amino acid metabolism and biosynthesis. Countering oxidative stress appears to play an important role during intrahepatic LS development. Furthermore, we observed expression of the variant PfEMP1 antigen-encoding var genes, and we confirmed expression of PfEMP1 protein during LS development. Transcriptome comparison of the late Pf liver stage schizonts with P. vivax ( Pv ) late liver stages revealed highly conserved gene expression profiles among orthologous genes. A notable difference however was the expression of genes regulating sexual stage commitment. While Pv schizonts expressed markers of sexual commitment, the Pf LS parasites were not sexually committed and showed expression of gametocytogenesis repression factors. Our results provide the first comprehensive gene expression profile of the human malaria parasite Pf LS isolated during in vivo intrahepatocytic development. This data will inform biological studies and the search for effective intervention strategies that can prevent infection.

Abstract Vaccine-induced sterilizing protection from infection by Plasmodium parasites, the pathogens that cause malaria, will be essential in the fight against malaria as it would prevent both malaria-related disease and transmission. Stopping the relatively small number of parasites injected by the mosquito before they can migrate from the skin to the liver is an attractive means to this goal. Antibody-eliciting vaccines have been used to pursue this objective by targeting the major parasite surface protein present during this stage, the circumsporozoite protein (CSP). While CSP-based vaccines have recently had encouraging success in disease reduction, this was only achieved with extremely high antibody titers and appeared less effective for a complete block of infection (i.e. sterile protection). While such disease reduction is important, these and other results indicate that strategies focusing on CSP alone may not achieve the high levels of sterile protection needed for malaria eradication. Here, we show that monoclonal antibodies (mAbs) recognizing another sporozoite protein, TRAP/SSP2, exhibit a range of inhibitory activity and that these mAbs can augment CSP-based protection despite conferring no sterile protection on their own. Therefore, pursuing a multivalent subunit vaccine immunization is a promising strategy for improving infection-blocking malaria vaccines.

Abstract Following their inoculation by the bite of an infected Anopheles mosquito, the malaria parasite sporozoite forms travel from the bite site in the skin into the bloodstream, which transports them to the liver. The thrombospondin-related anonymous protein (TRAP) is a type 1 transmembrane protein that is released from secretory organelles and relocalized on the sporozoite plasma membrane. TRAP is required for sporozoite motility and host infection, and its extracellular portion contains adhesive domains that are predicted to engage host receptors. Here, we identified the human platelet-derived growth factor receptor β (hPDGFRβ) as one such protein receptor. Deletion mutants showed that the von Willebrand factor type A and thrombospondin repeat domains of TRAP are both required for optimal binding to hPDGFRβ-expressing cells. We also demonstrate that this interaction is conserved in the human-infective parasite Plasmodium vivax , but not the rodent-infective parasite Plasmodium yoelii . We observed expression of hPDGFRβ mainly in cells associated with the vasculature suggesting that TRAP:hPDGFRβ interaction may play a role in the recognition of blood vessels by invading sporozoites.