The parasite Plasmodium falciparum is responsible for hundreds of millions of cases of malaria, and kills more than one million African children annually. Here we report an analysis of the genome sequence of P. falciparum clone 3D7. The 23-megabase nuclear genome consists of 14 chromosomes, encodes about 5,300 genes, and is the most (A + T)-rich genome sequenced to date. Genes involved in antigenic variation are concentrated in the subtelomeric regions of the chromosomes. Compared to the genomes of free-living eukaryotic microbes, the genome of this intracellular parasite encodes fewer enzymes and transporters, but a large proportion of genes are devoted to immune evasion and host–parasite interactions. Many nuclear-encoded proteins are targeted to the apicoplast, an organelle involved in fatty-acid and isoprenoid metabolism. The genome sequence provides the foundation for future studies of this organism, and is being exploited in the search for new drugs and vaccines to fight malaria.

Plasmodium falciparum expresses on the host erythrocyte surface clonally variant antigens and ligands that mediate adherence to endothelial receptors. Both are central to pathogenesis, since they allow chronicity of infection and lead to concentration of infected erythrocytes in cerebral vessels. Here we show that expression of variant antigenic determinants is correlated with expression of individual members of a large, multigene family named var. Each var gene contains copies of a motif that has been previously shown to bind diverse host receptors; expression of a specific var gene correlated with binding to ICAM-1. Thus, our findings are consistent with the involvement of var genes in antigenic variation and binding to endothelium.

Background Malaria remains a major cause of mortality and morbidity in Africa. Many approaches to malaria control involve reducing the chances of infection but little is known of the relations between parasite exposure and the development of effective clinical immunity so the long-term effect of such approaches to control on the pattern and frequency of malaria cannot be predicted. Methods We have prospectively recorded paediatric admissions with severe malaria over three to five years from five discrete communities in The Gambia and Kenya. Demographic analysis of the communities exposed to disease risk allowed the estimation of age-specific rates for severe malaria. Within each community the exposure to Plasmodium falciparum infection was determined through repeated parasitological and serological surveys among children and infants. We used acute respiratory-tract infections (ARI) as a comparison. Findings 3556 malaria admissions were recorded for the five sites. Marked differences were observed in age, clinical spectrum and rates of severe malaria between the five sites. Paradoxically, the risks of severe disease in childhood were lowest among populations with the highest transmission intensities, and the highest disease risks were observed among populations exposed to low-to-moderate intensities of transmission. For severe malaria, for example, admission rates (per 1000 per year) for children up to their 10th birthday were estimated as 3·9, 25·8, 25·9, 16·7, and 18·0 in the five communities; the forces of infection estimated for those communities (new infections per infant per month) were 0·001, 0·034, 0·050, 0·093, and 0·176, respectively. Similar trends were noted for cerebral malaria and for severe malaria anaemia but not for ARI. Mean age of disease decreased with increasing transmission intensity. Interpretation We propose that a critical determinant of life-time disease risk is the ability to develop clinical immunity early in life during a period when other protective mechanisms may operate. In highly endemic areas measures which reduce parasite transmission, and thus immunity, may lead to a change in both the clinical spectrum of severe disease and the overall burden of severe malaria morbidity.

The feasibility of a malaria vaccine is supported by the fact that children in endemic areas develop naturally acquired immunity to disease. Development of disease immunity is characterized by a decrease in the frequency and severity of disease episodes over several years despite almost continuous infection1, suggesting that immunity may develop through the acquisition of a repertoire of specific, protective antibodies directed against polymorphic target antigens1–3. Plasmodium falciparum erythro-cyte membrane protein 1 (PfEMPI) is a potentially important family of target antigens, because these proteins are inserted into the red cell surface and are prominently exposed4–6 and because they are highly polymorphic and undergo clonal antigenic variation7,8,18, a mechanism of immune evasion maintained by a large family of var genes9–11. In a large prospective study of Kenyan children, we have used the fact that anti-PfEMP1 antibodies agglutinate infected erythrocytes in a variant-specific manner10,12–16, to show that the PfEMPI variants expressed during episodes of clinical malaria were less likely to be recognized by the corresponding child's own preexisting antibody response than by that of children of the same age from the same community. In contrast, a heterologous parasite isolate was just as likely to be recognized. The apparent selective pressure exerted by established anti-PfEMPl antibodies on infecting parasites supports the idea that such responses provide variant-specific protection against disease.

ADHESION of parasitized erythrocytes to post-capillary venular endothelium1or uninfected red cells'2–4 is strongly implicated in the pathogenesis of severe Plasmodlum faldparum malaria. Neo-antigens at the infected red-cell surface adhere to a variety of host receptors5–9, demonstrate serological diversity in field isolates10,11 and may also be a target of the host-protective immune response12. Here we use sequential cloning ofP. faldparum by micromanipula-tion to investigate the ability of a parasite to switch antigenic and cytoadherence phenotypes. Our data show that antigens at the parasitized cell surface undergo clonal variation in vitro in the absence of immune pressure at the rate of 2% per generation with concomitant modulations of the adhesive phenotype. A clone has the potential to switch at high frequency to a variety of antigenic and adhesive phenotypes, including a new type of cytoadherence behaviour, 'auto-agglutination' of infected erythrocytes. This rapid appearance of antigenic and functional heterogeneity has important implications for pathogenesis and acquired immunity.

The factors determining disease severity in malaria are complex and include host polymorphisms, acquired immunity and parasite virulence1. Studies in Africa have shown that severe malaria is associated with the ability of erythrocytes infected with the parasite Plasmodium falciparum to bind uninfected erythrocytes and form rosettes2,3,4,5. The molecular basis of rosetting is not well understood, although a group of low-molecular-mass proteins called rosettins have been described as potential parasite ligands6. Infected erythrocytes also bind to endothelial cells, and this interaction is mediated by the parasite-derived variant erythrocyte membrane protein PfEMP1 (refs 7, 8), which is encoded by the var gene family9,10,11. Here we report that the parasite ligand for rosetting in a P. falciparum clone is PfEMP1, encoded by a specific var gene. We also report that complement-receptor 1 (CR1) on erythrocytes plays a role in the formation of rosettes and that erythrocytes with a common African CR1 polymorphism (Sl(a−))12 have reduced adhesion to the domain of PfEMP1 that binds normal erythrocytes. Thus we describe a new adhesive function for PfEMP1 and raise the possibility that CR1 polymorphisms in Africans that influence the interaction between erythrocytes and PfEMP1 may protect against severe malaria.

Estimates for the annual mortality from malaria range from 0·5 to 2·5 million deaths. The burden of this enormous toll, and the concomitant morbidity, is borne by the world's poorest countries. Malaria morbidity and mortality have been held in check by the widespread availability of cheap and effective antimalarial drugs. The loss of these drugs to resistance may represent the single most important threat to the health of people in tropical countries. Chloroquine has been the mainstay of antimalarial drug treatment for the past 40 years, but resistance is now widespread and few countries are unaffected. 1 Bloland PB Lackritz EM Kazembe PN Were JB Steketee R Campbell CC Beyond chloroquine: implications of drug resistance for evaluating malaria therapy efficacy and treatment policy in Africa. J Infect Dis. 1993; 167: 932-937 Crossref PubMed Scopus (271) Google Scholar Pyrimethamine-sulphadoxine (PSD) is usually deployed as a successor to chloroquine. Both these antimalarials cost less than US$0·20 per adult treatment course, but the drugs required to treat multidrug-resistant falciparum malaria (quinine, mefloquine, halofantrine) are over ten times more expensive and cannot be afforded by most tropical countries—especially those in Africa, where it is estimated that more than 90% of the world's malaria deaths occur. Resistance to chloroquine is widespread across Africa and resistance to PSD is increasing. 2 Ronn A Msangeni HA Mhina J Wernsdorfer WH Bygbjerg IC High level of resistance of Plasmodium falciparum to sulfadoxine-pyrimethamine in children in Tanzania. Trans R Soc Trop Med Hyg. 1996; 90: 179-181 Summary Full Text PDF PubMed Scopus (132) Google Scholar A health calamity looms within the next few years. 3 Marsh K Malaria disaster in Africa. Lancet. 1998; 352: 924-925 Summary Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (164) Google Scholar As treatments lose their effectiveness, morbidity and mortality from malaria will inevitably continue to rise. Can this disaster be prevented? Can we really “roll back malaria”, as the new Director-General of WHO has demanded? 4 Harlem Brundtland G Speech to the fifty-first World Health Assembly. 13 May, Geneva1998 Google Scholar

A major part of virulence for Plasmodium falciparum malaria infection, the most lethal parasitic disease of humans, results from increased rigidity and adhesiveness of infected host red cells. These changes are caused by parasite proteins exported to the erythrocyte using novel trafficking machinery assembled in the host cell. To understand these unique modifications, we used a large-scale gene knockout strategy combined with functional screens to identify proteins exported into parasite-infected erythrocytes and involved in remodeling these cells. Eight genes were identified encoding proteins required for export of the parasite adhesin PfEMP1 and assembly of knobs that function as physical platforms to anchor the adhesin. Additionally, we show that multiple proteins play a role in generating increased rigidity of infected erythrocytes. Collectively these proteins function as a pathogen secretion system, similar to bacteria and may provide targets for antivirulence based therapies to a disease responsible for millions of deaths annually.