The Pediatric AIDS Clinical Trials Group Protocol 076 reported a reduction in the rate of perinatal transmission of the human immunodeficiency virus (HIV) from 25.5 percent to 8.3 percent with a three-part regimen of zidovudine given ante partum, intra partum, and to the newborn. We examined the effects of abbreviated zidovudine regimens on perinatal HIV transmission using data from the HIV polymerase-chain-reaction (PCR) testing service of the New York State Department of Health. Pregnant women who received abbreviated regimens rather than the recommended regimens did so because of limited prenatal care or by choice.

Cell-cell communication is an important mechanism for information exchange promoting cell survival for the control of features such as population density and differentiation. We determined that Plasmodium falciparum-infected red blood cells directly communicate between parasites within a population using exosome-like vesicles that are capable of delivering genes. Importantly, communication via exosome-like vesicles promotes differentiation to sexual forms at a rate that suggests that signaling is involved. Furthermore, we have identified a P. falciparum protein, PfPTP2, that plays a key role in efficient communication. This study reveals a previously unidentified pathway of P. falciparum biology critical for survival in the host and transmission to mosquitoes. This identifies a pathway for the development of agents to block parasite transmission from the human host to the mosquito.

Apicomplexan parasites constitute one of the most significant groups of pathogens infecting humans and animals. The liver stage sporozoites of Plasmodium spp. and tachyzoites of Toxoplasma gondii, the causative agents of malaria and toxoplasmosis, respectively, use a unique mode of locomotion termed gliding motility to invade host cells and cross cell substrates. This amoeboid-like movement uses a parasite adhesin from the thrombospondin-related anonymous protein (TRAP) family and a set of proteins linking the extracellular adhesin, via an actin-myosin motor, to the inner membrane complex. The Plasmodium blood stage merozoite, however, does not exhibit gliding motility. Here we show that homologues of the key proteins that make up the motor complex, including the recently identified glideosome-associated proteins 45 and 50 (GAP40 and GAP50), are present in P. falciparum merozoites and appear to function in erythrocyte invasion. Furthermore, we identify a merozoite TRAP homologue, termed MTRAP, a micronemal protein that shares key features with TRAP, including a thrombospondin repeat domain, a putative rhomboid-protease cleavage site, and a cytoplasmic tail that, in vitro, binds the actin-binding protein aldolase. Analysis of other parasite genomes shows that the components of this motor complex are conserved across diverse Apicomplexan genera. Conservation of the motor complex suggests that a common molecular mechanism underlies all Apicomplexan motility, which, given its unique properties, highlights a number of novel targets for drug intervention to treat major diseases of humans and livestock.

Abstract Drug resistance threatens the effective prevention and treatment of an ever-increasing range of human infections. This highlights an urgent need for new and improved drugs with novel mechanisms of action to avoid cross-resistance. Current cell-based drug screens are, however, restricted to binary live/dead readouts with no provision for mechanism of action prediction. Machine learning methods are increasingly being used to improve information extraction from imaging data. Such methods, however, work poorly with heterogeneous cellular phenotypes and generally require time-consuming human-led training. We have developed a semi-supervised machine learning approach, combining human- and machine-labelled training data from mixed human malaria parasite cultures. Designed for high-throughput and high-resolution screening, our semi-supervised approach is robust to natural parasite morphological heterogeneity and correctly orders parasite developmental stages. Our approach also reproducibly detects and clusters drug-induced morphological outliers by mechanism of action, demonstrating the potential power of machine learning for accelerating cell-based drug discovery. One Sentence Summary A machine learning approach to classifying normal and aberrant cell morphology from plate-based imaging of mixed malaria parasite cultures, facilitating clustering of drugs by mechanism of action.

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.

Summary All symptoms of malaria disease are associated with the asexual blood stages of development, involving cycles of red blood cell (RBC) invasion and egress by the Plasmodium spp. merozoite. Merozoite invasion is rapid and is actively powered by a parasite actomyosin motor. The current accepted model for actomyosin force generation envisages arrays of parasite myosins, pushing against short actin filaments connected to the external milieu that drive the merozoite forwards into the RBC. In Plasmodium falciparum , the most virulent human malaria species, Myosin A (PfMyoA) is critical for parasite replication. However, the precise function of PfMyoA in invasion, its regulation, the role of other myosins and overall energetics of invasion remain unclear. Here, we developed a conditional mutagenesis strategy combined with live video microscopy to probe PfMyoA function and that of the auxiliary motor PfMyoB in invasion. By imaging conditional mutants with increasing defects in force production, based on disruption to a key PfMyoA phospho-regulation site, the absence of the PfMyoA essential light chain, or complete motor absence, we define three distinct stages of incomplete RBC invasion. These three defects reveal three energetic barriers to successful entry: RBC deformation (pre-entry), mid-invasion initiation, and completion of internalisation, each requiring an active parasite motor. In defining distinct energetic barriers to invasion, these data illuminate the mechanical challenges faced in this remarkable process of protozoan parasitism, highlighting distinct myosin functions and identifying potential targets for preventing malaria pathogenesis.

Summary Nucleophilic amino acids are important in covalent drug development yet underutilized as antimicrobial targets. Over recent years, several chemoproteomic technologies have been developed to mine chemically-accessible residues via their intrinsic reactivity toward electrophilic probes. However, these approaches cannot discern which reactive sites contribute to protein function and should therefore be prioritized for drug discovery. To address this, we have developed a CRISPR-based Oligo Recombineering (CORe) platform to systematically prioritize reactive amino acids according to their contribution to protein function. Our approach directly couples protein sequence and function with biological fitness. Here, we profile the reactivity of >1,000 cysteines on ~700 proteins in the eukaryotic pathogen Toxoplasma gondii and prioritize functional sites using CORe. We competitively compared the fitness effect of 370 codon switches at 74 cysteines and identify functional sites in a diverse range of proteins. In our proof of concept, CORe performed >800 times faster than a standard genetic workflow. Reactive cysteines decorating the ribosome were found to be critical for parasite growth, with subsequent target-based screening validating the apicomplexan translation machinery as a target for covalent ligand development. CORe is system-agnostic, and supports expedient identification, functional prioritization, and rational targeting of reactive sites in a wide range of organisms and diseases.

Abstract Early and accurate diagnosis of malaria and drug-resistance is essential to effective disease management. Available rapid malaria diagnostic tests present limitations in analytical sensitivity, drug-resistant testing and/or quantification. Conversely, diagnostic methods based on nucleic acid amplification stepped forwards owing to their high sensitivity, specificity and robustness. Nevertheless, these methods commonly rely on optical measurements and complex instrumentation which limit their applicability in resource-poor, point-of-care settings. This paper reports the specific, quantitative and fully-electronic detection of Plas-modium falciparum , the predominant malaria-causing parasite worldwide, using a Lab-on-Chip platform developed in-house. Furthermore, we demonstrate on-chip detection of C580Y, the most prevalent single-nucleotide polymorphism associated to artemisinin-resistant malaria. Real-time non-optical DNA sensing is facilitated using Ion-Sensitive Field-Effect Transistors, fabricated in unmodified complementary metal-oxide-semiconductor technology, coupled with loop-mediated isothermal amplification. This work holds significant potential for the development of a fully portable and quantitative malaria diagnostic that can be used as a rapid point-of-care test.

ABSTRACT Phenotypic cell-based screens are critical to the discovery of new antimalarial lead compounds. However, identification and validation of cellular targets of lead compounds is required following discovery in a phenotypic screen. We recently discovered a Plasmodium transmission-blocking N-((4-hydroxychroman-4-yl)methyl)-sulfonamide (N-4HCS) compound, DDD01035881 , in a phenotypic screen. DDD01035881 and its potent derivatives have been shown to block Plasmodium male gamete formation (microgametogenesis) with nanomolar activity. Here, we synthesised a photoactivatable N-4HCS derivative, probe 2 , to identify the N-4HCS cellular target. Using probe 2 in photo-affinity labelling coupled with mass spectrometry, we identified the 16 kDa Plasmodium falciparum parasitophorous vacuole membrane protein Pfs16 as the likely cellular target of the N-4HCS series. Further validating Pfs16 as the cellular target of the N-4HCS series, the Cellular Thermal Shift Assay (CETSA) confirmed DDD01035881 stabilised Pfs16 in lysate from activated mature gametocytes. Additionally, photo-affinity labelling combined with in-gel fluorescence and immunoblot analysis confirmed the N-4HCS series interacted with Pfs16. High-resolution, widefield fluorescence and electron microscopy of N-4HCS-inhibited parasites was found to result in a cell morphology entirely consistent with targeted gene disruption of Pfs16 . Taken together, these data strongly implicate Pfs16 as the target of DDD01035881 and establish the N-4HCS scaffold family as a powerful starting point from which future transmission-blocking antimalarials can be developed.

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.