Next-generation sequencing is used here to analyse Plasmodium falciparum genome variation directly from clinical blood samples, as well as cultured isolates, from Africa, Asia and Oceania. Resistance to the major antimalarial drug artemisinin is emerging in the Plasmodium falciparum parasite across Southeast Asia, and there is concern that the increased deployment of antimalarials in pursuit of disease eradication might simply lead to increased drug resistance. To monitor these risks it is important to survey the parasite population for genetic changes. Next-generation sequencing is used here to analyse P. falciparum genome variation directly from nearly 300 clinical blood samples, and from cultured isolates from Africa, Asia and Oceania. The authors use these data to analyse the diversity of the parasite population across different geographical locations, as well as within-host diversity at the level of the whole genome, and they show how this may be used to estimate inbreeding rates, which are important for the evolution of drug resistance. Malaria elimination strategies require surveillance of the parasite population for genetic changes that demand a public health response, such as new forms of drug resistance1,2. Here we describe methods for the large-scale analysis of genetic variation in Plasmodium falciparum by deep sequencing of parasite DNA obtained from the blood of patients with malaria, either directly or after short-term culture. Analysis of 86,158 exonic single nucleotide polymorphisms that passed genotyping quality control in 227 samples from Africa, Asia and Oceania provides genome-wide estimates of allele frequency distribution, population structure and linkage disequilibrium. By comparing the genetic diversity of individual infections with that of the local parasite population, we derive a metric of within-host diversity that is related to the level of inbreeding in the population. An open-access web application has been established for the exploration of regional differences in allele frequency and of highly differentiated loci in the P. falciparum genome.

Abstract Plasmodium falciparum invades human red blood cells by a series of interactions between host and parasite surface proteins. Here we analyse whole genome sequence data from worldwide human populations, including 765 new genomes from across sub-Saharan Africa, and identify a diverse array of large copy number variants affecting the host invasion receptor genes GYPA and GYPB . We find that a nearby reported association with severe malaria is explained by a complex structural variant that involves the loss of GYPB and gain of two hybrid genes, each with a GYPB extracellular domain and GYPA intracellular domain. This variant reduces the risk of severe malaria by 40% and has recently risen in frequency in parts of Kenya. We show that the structural variant encodes the Dantu blood group antigen, and therefore a serologically distinct red cell phenotype. These findings demonstrate that structural variation of red blood cell invasion receptors is associated with natural resistance to P. falciparum malaria.

Understanding patterns of genetic diversity is a crucial component of medical research in Africa. Here we use haplotype-based population genetics inference to describe gene-flow and admixture in a collection of 48 African groups with a focus on the major populations of the sub-Sahara. Our analysis presents a framework for interpreting haplotype diversity within and between population groups and provides a demographic foundation for genetic epidemiology in Africa. We show that coastal African populations have experienced an influx of Eurasian haplotypes as a series of admixture events over the last 7,000 years, and that Niger-Congo speaking groups from East and Southern Africa share ancestry with Central West Africans as a result of recent population expansions associated with the adoption of new agricultural technologies. We demonstrate that most sub-Saharan populations share ancestry with groups from outside of their current geographic region as a result of large-scale population movements over the last 4,000 years. Our in-depth analysis of admixture provides an insight into haplotype sharing across different geographic groups and the recent movement of alleles into new climatic and pathogenic environments, both of which will aid the interpretation of genetic studies of disease in sub-Saharan Africa.