Abstract Plasmodium sporozoites that are transmitted by blood-feeding female Anopheles mosquitoes invade hepatocytes for an initial round of intracellular replication, leading to the release of merozoites that invade and multiply within red blood cells. Sporozoites and merozoites share a number of proteins that are expressed by both stages, including the Apical Membrane Antigen 1 (AMA1) and the Rhoptry Neck Proteins (RONs). Although AMA1 and RONs are essential for merozoite invasion of erythrocytes during asexual blood stage replication of the parasite, their function in sporozoites is still unclear. Here we show that AMA1 interacts with RONs in mature sporozoites. By using DiCre-mediated conditional gene deletion in P. berghei , we demonstrate that loss of AMA1, RON2 or RON4 in sporozoites impairs colonization of the mosquito salivary glands and invasion of mammalian hepatocytes, without affecting transcellular parasite migration. Our data establish that AMA1 and RONs facilitate host cell invasion across Plasmodium invasive stages, and suggest that sporozoites use the AMA1-RON complex to safely enter the mosquito salivary glands without causing cell damage, to ensure successful parasite transmission. These results open up the possibility of targeting the AMA1-RON complex for transmission-blocking antimalarial strategies.

ABSTRACT Plasmodium sporozoites are transmitted to a mammalian host during blood feeding by an infected mosquito and invade hepatocytes for initial replication of the parasite in the liver. This leads to the release of thousands of merozoites into the blood circulation and initiation of the pathogenic blood stages of malaria. Merozoite invasion of erythrocytes has been well characterized at the molecular and structural levels. In sharp contrast, the molecular mechanisms of sporozoite invasion of hepatocytes are poorly characterized. Here we report a new role during sporozoite entry for the B9 protein, a member of the 6-cysteine domain protein family. Using genetic tagging and gene deletion approaches in rodent malaria parasites, we show that B9 is secreted from sporozoite micronemes and is required for productive invasion of hepatocytes. Structural modelling indicates that the N-terminus of B9 forms a beta-propeller domain structurally related to CyRPA, a cysteine-rich protein forming an invasion complex with Rh5 and RIPR in P. falciparum merozoites. We provide evidence that the beta-propeller domain of B9 is essential for protein function during sporozoite entry and interacts with P36 and P52, both also essential for productive invasion of hepatocytes. Our results suggest that, despite using distinct sets of parasite and host entry factors, Plasmodium sporozoites and merozoites may share common structural modules to assemble protein complexes for invasion of host cells.

Abstract Malaria is caused by Plasmodium spp. protozoan parasites, which are transmitted by female anopheline mosquitoes in the form of sporozoites. Once deposited in the dermis during the blood meal of the mosquito, sporozoites rapidly migrate to the liver for an initial and obligatory round of replication inside hepatocytes, before exponential multiplication of the parasite in the blood and onset of the malaria disease. Sporozoites and liver stages provide attractive targets for the development of a malaria vaccine. Until now, a single antigen from Plasmodium falciparum , the deadliest species infecting humans, has been considered for subunit vaccine clinical development, with limited success so far. This emphazises the need to identify novel targets. In this context, defining the parasite proteome is important not only to guide the down-selection of potential candidate antigens, but also to allow a better understanding of the parasite biology. Previous studies have determined the total proteome of sporozoite stages from the two main human malaria parasites, P. falciparum and P. vivax , as well as P. yoelii , a parasite that infects rodents. Another murine malaria parasite, P. berghei , has been widely used to investigate the biology of Plasmodium pre-erythrocytic stages. However, a deep view of the proteome of P. berghei sporozoites is still missing. To fill this gap, we took advantage of a novel highly sensitive timsTOF PRO mass spectrometer, based on trapped ion mobility spectrometry with parallel accumulation-serial fragmentation. Combined with three alternative methods for sporozoite purification, this approach allowed us to identify the deep proteome of P. berghei sporozoites using low numbers of parasites. This study provides a reference proteome for P. berghei sporozoites, identifying a core set of proteins expressed accross species, and illustrates how the unprecedented sensitivity of the timsTOF PRO system enables deep proteomic analysis from limited sample amounts.

ABSTRACT Asexual blood stages of the malaria parasite are readily amenable to genetic modification via homologous recombination, allowing functional studies of parasite genes that are not essential in this part of the life cycle. However, conventional reverse genetics cannot be applied for the functional analysis of genes that are essential during asexual blood-stage replication. Various strategies have been developed for conditional mutagenesis of Plasmodium , including recombinase-based gene deletion, regulatable promoters, and mRNA or protein destabilization systems. Among these, the dimerisable Cre (DiCre) recombinase system has emerged as a powerful approach for conditional gene targeting in P. falciparum . In this system, the bacteriophage Cre is expressed in the form of two separate, enzymatically inactive polypeptides, each fused to a different rapamycin-binding protein. Rapamycin-induced heterodimerization of the two components restores recombinase activity. We have implemented the DiCre system in the rodent malaria parasite P. berghei , and show that rapamycin-induced excision of floxed DNA sequences can be achieved with very high efficiency in both mammalian and mosquito parasite stages. This tool can be used to investigate the function of essential genes not only in asexual blood stages, but also in other parts of the malaria parasite life cycle.

Abstract Invasion of host cells by apicomplexan parasites such as Toxoplasma and Plasmodium spp requires the sequential secretion of the parasite apical organelles, the micronemes and the rhoptries. The claudin-like apicomplexan microneme protein (CLAMP) is a conserved protein that plays an essential role during invasion in Toxoplasma gondii tachyzoites and Plasmodium falciparum merozoites. CLAMP is also expressed in Plasmodium sporozoites, the mosquito-transmitted forms of the malaria parasite, but its role in this stage is still unknown. CLAMP is essential for Plasmodium blood stage growth and is refractory to conventional gene deletion. To circumvent this obstacle and study the function of CLAMP in sporozoites, we used a conditional genome editing strategy based on the dimerisable Cre recombinase in the rodent malaria model parasite P. berghei . We successfully deleted clamp gene in P. berghei transmission stages and analyzed the functional consequences on sporozoite infectivity. In mosquitoes, sporozoite development and egress from oocysts was not affected in conditional mutants. However, invasion of the mosquito salivary glands was dramatically reduced upon deletion of clamp gene. In addition, CLAMP-deficient sporozoites were impaired in cell traversal and productive invasion of mammalian hepatocytes. This severe phenotype was associated with major defects in gliding motility and with reduced shedding of the sporozoite adhesin TRAP. These results demonstrate that CLAMP is essential across invasive stages of the malaria parasite, and strongly suggest that the protein acts upstream of host cell invasion, possibly by regulating the secretion or function of adhesins in Plasmodium sporozoites. Author summary Plasmodium parasites, the causative agents of malaria, are transmitted during the bite of an infected mosquito. Infectious parasite stages known as sporozoites are released from the insect salivary glands and injected into the host skin. Sporozoites rapidly migrate to the host liver, invade hepatocytes and differentiate into the next invasive forms, the merozoites, which invade and replicate inside red blood cells. Sporozoite motility and host cell invasion rely on the secretion of apical organelles called micronemes and rhoptries. Here we characterize the function of a microneme protein expressed both in merozoites and sporozoites, the claudin-like protein CLAMP. We used a conditional genome editing strategy in a rodent malaria model to generate CLAMP-deficient sporozoites. In the absence of CLAMP, sporozoites failed to invade mosquito salivary glands and mammalian hepatocytes, and showed defects in gliding motility and microneme secretion. Our data establish that CLAMP plays an essential role across Plasmodium invasive stages, and might represent a potential target for transmission-blocking antimalarial strategies.

Abstract Plasmodium sporozoites inoculated by Anopheles mosquitoes into the skin of the mammalian host migrate to the liver before infecting hepatocytes. Previous work demonstrated that early production of IL-6 in the liver is detrimental for the parasite growth, contributing to the acquisition of a long-lasting immune protection after immunization with live attenuated parasites. Considering that IL-6 ais a critical pro-inflammatory signal, we explored a novel approach whereby the parasite itself encodes for the murine IL-6 gene. We generated transgenic P. berghei parasites that express murine IL-6 during liver stage development. Though IL-6 transgenic sporozoites develop into exo-erythrocytic forms in cultured hepatocytes in vitro and in vivo , these parasites were not capable of inducing a blood stage infection in mice. Furthermore, immunization of mice with transgenic IL-6-expressing P. berghei sporozoites elicited a long-lasting CD8 + T cell-mediated protective immunity against a subsequent infectious sporozoite challenge. Collectively, this study demonstrates that parasite-encoded IL-6 attenuates parasite virulence with abortive liver stage of Plasmodium infection, forming the basis of a novel suicide vaccine strategy to elicit protective antimalarial immunity. Summary IL-6 was shown to control Plasmodium parasite development in the liver. Here, Belhimeur et al. generated a murine IL-6 transgenic Plasmodium berghei . These parasites show an arrest in hepatocyte development and protect mice against homologous and heterologous parasite challenge in a CD8-dependent manner.

Abstract Colonization of the mosquito host by Plasmodium parasites is achieved by sexually differentiated gametocytes. Gametocytogenesis, gamete formation and fertilization are tightly regulated processes, and translational repression is a major regulatory mechanism for stage conversion. Here, we present a characterization of a Plasmodium berghei RNA binding protein, UIS12, that contains two conserved eukaryotic RNA recognition motifs (RRM). Targeted gene deletion resulted in viable parasites that replicate normally during blood infection, but form fewer gametocytes. Upon transmission to Anopheles stephensi mosquitoes, both numbers and size of midgut-associated oocysts were reduced and their development stopped at an early time point. As a consequence, no salivary gland sporozoites were formed indicative of a complete life cycle arrest in the mosquito vector. Comparative transcript profiling in mutant and wild-type infected red blood cells revealed a decrease in transcript abundance of mRNAs coding for signature gamete-, ookinete- and oocyst-specific proteins in uis12(-) parasites. Together, our findings indicate multiple roles for UIS12 in regulation of gene expression after blood infection in good agreement with the pleiotropic defects that terminate successful sporogony and onward transmission to a new vertebrate host.

Sporozoite forms of the malaria parasite Plasmodium are transmitted by mosquitoes and first infect the liver for an initial round of replication before parasite proliferation in the blood. The molecular mechanisms involved during sporozoite invasion of hepatocytes remain poorly understood. Two receptors of the Hepatitis C virus (HCV), the tetraspanin CD81 and the scavenger receptor class B type 1 (SR-B1), play an important role during the entry of Plasmodium sporozoites into hepatocytic cells. In contrast to HCV entry, which requires both CD81 and SR-B1 together with additional host factors, CD81 and SR-B1 operate independently during malaria liver infection. Sporozoites from human-infecting P. falciparum and P. vivax rely respectively on CD81 or SR-B1. Rodent-infecting P. berghei can use SR-B1 to infect host cells as an alternative pathway to CD81, providing a tractable model to investigate the role of SR-B1 during Plasmodium liver infection. Here we show that mouse SR-B1 is less functional as compared to human SR-B1 during P. berghei infection. We took advantage of this functional difference to investigate the structural determinants of SR-B1 required for infection. Using a structure-guided strategy and chimeric mouse/human SR-B1 constructs, we could map the functional region of human SR-B1 within apical loops, suggesting that this region of the protein may play a crucial role for interaction of sporozoite ligands with host cells and thus the very first step of Plasmodium infection.

ABSTRACT The circumsporozoite protein (CSP) builds up the surface coat of sporozoites and is the leading malaria pre-erythrocytic-stage vaccine candidate. CSP has been shown to induce robust CD8+ T cell responses that are capable of eliminating developing parasites in hepatocytes resulting in protective immunity. In this study, we characterised the importance of the immunodominant CSP-derived epitope, SYIPSAEKI, of Plasmodium berghei in both sporozoite- and vaccine-induced protection in murine infection models. In BALB/c mice, where SYIPSAEKI is efficiently presented in the context of the major histocompatibility complex class I (MHC-I) molecule H-2-K d , we established that epitope-specific CD8+ T cell responses contribute to parasite killing following sporozoite immunisation. Yet, sterile protection was achieved in the absence of this epitope substantiating the concept that other antigens can be sufficient for parasite-induced protective immunity. Furthermore, we demonstrated that SYIPSAEKI-specific CD8+ T cell responses elicited by viral-vectored CSP-expressing vaccines effectively targeted parasites in hepatocytes. The resulting sterile protection strictly relied on the expression of SYIPSAEKI. In C57BL/6 mice, which are unable to present the immunodominant epitope, CSP-based vaccines did not confer complete protection, despite the induction of high levels of CSP-specific antibodies. These findings underscore the significance of CSP in protection against malaria pre-erythrocytic stages and demonstrate that a significant proportion of the protection against the parasite is mediated by CD8+ T cells specific for the immunodominant CSP-derived epitope.

ABSTRACT Vaccine discovery and development critically depends on predictive assays, which prioritise protective antigens. Immunogenicity is considered one important criterion for progression of candidate vaccines to further clinical evaluation, including phase I/II trials. Here, we tested this assumption in an infection and vaccination model for malaria pre-erythrocytic stages. We engineered Plasmodium berghei parasites that harbour a well-characterised epitope for stimulation of CD8+ T cells either as an antigen in the circumsporozoite protein (CSP), the surface coat protein of extracellular sporozoites or in the upregulated in sporozoites 4 (UIS4), a major protein associated with the parasitophorous vacuole membrane (PVM) that surrounds the intracellular exo-erythrocytic forms (EEF). We show that the antigen origin results in profound differences in immunogenicity with a sporozoite antigen eliciting robust and superior antigen-specific CD8+ T cell responses, whilst an EEF antigen evokes poor responses. However, despite their contrasting immunogenic properties, both sporozoite and EEF antigens gain access to antigen presentation pathways in hepatocytes, as recognition and targeting by vaccine-induced, antigen-specific effector CD8+ T cells results in high levels of protection when targeting both antigens. Our study is the first demonstration that poor immunogenicity of EEF antigens does not preclude their susceptibility to antigen-specific CD8+ T cell killing. Our findings that antigen immunogenicity is an inadequate predictor of vaccine susceptibility have wide-ranging implications on antigen prioritisation for the design and testing of next-generation pre-erythrocytic malaria vaccines.