Abstract Malaria parasites have a complex life cycle featuring diverse developmental strategies, each uniquely adapted to navigate specific host environments. Here we use single-cell transcriptomics to illuminate gene usage across the transmission cycle of the most virulent agent of human malaria – Plasmodium falciparum . We reveal developmental trajectories associated with the colonisation of the mosquito midgut and salivary glands and elucidate the transcriptional signatures of each transmissible stage. Additionally, we identify both conserved and nonconserved gene usage between human and rodent parasites, which point to both essential mechanisms in malaria transmission and species-specific adaptations potentially linked to host tropism. Together, the data presented here, which are made freely available via an interactive website, establish the most complete atlas of the P. falciparum transcriptional journey to date. One sentence summary Single-cell transcriptomics of P. falciparum transmission stages highlights developmental trajectories and gene usage.

Abstract Complete protection against human malaria challenge has been achieved using infected mosquitoes as the delivery route for immunization with Plasmodium parasites. Strategies seeking to replicate this efficacy with either a manufactured whole-parasite or subunit vaccine, however, have shown only limited success. A major roadblock to whole parasite vaccine progress and understanding of the human infective sporozoite form in general, is reliance on manual dissection for parasite isolation from infected mosquitoes. We report here the development of a four-step process based on whole mosquito homogenization, slurry and density-gradient filtration, combined with free-flow electrophoresis that is able to rapidly produce a pure, aseptic sporozoite inoculum from hundreds of mosquitoes. Murine P. berghei or human-infective P. falciparum sporozoites produced in this way are 2-3-fold more infective with in vitro hepatocytes and can confer sterile protection when immunized intravenously with subsequent challenge using a mouse malaria model. Critically, we can also demonstrate for the first time 60-70% protection when the same parasites are administered via intramuscular (i.m.) route. In developing a process amenable to industrialisation and demonstrating efficacy by i.m. route these data represent a major advancement in capacity to produce a whole parasite malaria vaccine at scale. One-Sentence Summary A four-step process for isolating pure infective malaria parasite sporozoites at scale from homogenized whole mosquitoes, independent of manual dissection, is able to produce a whole parasite vaccine inoculum that confers sterilizing protection.

ABSTRACT Formation of gametes in the malaria parasite occurs in the midgut of the mosquito and is critical to onward parasite transmission. Transformation of the male gametocyte into microgametes, called microgametogenesis, is an explosive cellular event and one of the fastest eukaryotic DNA replication events known. The transformation of one microgametocyte into eight flagellated microgametes requires reorganisation of the parasite cytoskeleton, replication of the 22.9 Mb genome, axoneme formation and host erythrocyte egress, all of which occur simultaneously in <20 minutes. Whilst high-resolution imaging has been a powerful tool for defining stages of microgametogenesis, it has largely been limited to fixed parasite samples, given the speed of the process and parasite photosensitivity. Here, we have developed a live-cell fluorescence imaging workflow that captures the explosive dynamics of microgametogenesis in full. Using the most virulent human malaria parasite, Plasmodium falciparum , our live-cell approach combines three-dimensional imaging through time (4D imaging) and covers early microgametocyte development through to microgamete release. Combining live-cell stains for DNA, tubulin and the host erythrocyte membrane, 4D imaging enables definition of the positioning of newly replicated and segregated DNA. It also shows the microtubular cytoskeleton, location of newly formed basal bodies and elongation of axonemes, as well as behaviour of the erythrocyte membrane, including its specific perforation prior to microgamete egress. 4D imaging was additionally undertaken in the presence of known transmission-blocking inhibitors and the untested proteasomal inhibitor bortezomib. Here, for the first time we find that bortezomib inhibition results in a clear block of DNA replication, full axoneme nucleation and elongation. These data not only define a framework for understanding microgametogenesis in general but also suggest that the process is critically dependent on proteasomal activity, helping to identify potentially novel targets for transmission-blocking antimalarial drug development.

Resistance to artemisinin combination therapy (ACT) in the Plasmodium falciparum parasite is threatening to reverse recent gains in reducing global deaths from malaria. Whilst resistance manifests as delayed asexual parasite clearance in patients following ACT treatment, the phenotype can only spread geographically via the sexual cycle and subsequent transmission through the mosquito. Artemisinin and its derivatives (such as dihydroartemisinin, DHA) as well as killing the asexual parasite form are known to sterilize male, sexual-stage gametes from activation. Whether resistant parasites overcome this artemisinin-dependent sterilizing effect has not, however, been fully tested. Here, we analysed five P. falciparum clinical isolates from the Greater Mekong Subregion, each of which demonstrated delayed clinical clearance and carried known resistance-associated polymorphisms in the Kelch13 gene (PfK13var). As well as demonstrating reduced sensitivity to artemisinin-derivates in in vitro asexual growth assays, certain PfK13var isolates also demonstrated a marked reduction in sensitivity to these drugs in an in vitro male gamete activation assay compared to a sensitive control. Importantly, the same reduction in sensitivity to DHA was observed when the most resistant isolate was assayed by standard membrane feeding assays using Anopheles stephensi mosquitoes. These results indicate that ACT use can favour resistant over sensitive parasite transmission. A selective advantage for resistant parasite transmission could also favour acquisition of further polymorphisms, such as mosquito host-specificity or antimalarial partner-drug resistance in mixed infections. Favoured transmission of resistance under ACT coverage could have profound implications for the spread of multidrug resistant malaria beyond Southeast Asia.