Abstract Rapid asexual replication of blood stage malaria parasites is responsible for the severity of disease symptoms and fuels the production of transmission forms. That malaria parasite species coordinate their cycles of asexual replication with daily rhythms of their host was discovered in the Hippocratic era, but how and why this occurs is enigmatic. Here, we demonstrate that the Plasmodium chabaudi’s schedule for asexual replication can be orchestrated by a isoleucine, metabolite provided to the parasite in periodic manner due to the host’s rhythmic intake of food. First, we identify nutrients with daily rhythms in the blood that match the timing of rhythms in both host feeding and the developmental schedule of asexually replicating parasites. We hypothesise that if parasites set their own developmental schedule, they should use a time-of-day cue that is a factor they cannot generate endogenously at any time-of-day, or scavenge in a round-the-clock manner. Our large-scale metabolomics experiment reveals that only one metabolite - the amino acid isoleucine – fits these criteria. Second, further experiments reveal that parasites alter the developmental schedule of asexual stages in response to isoleucine provision and withdrawal in the manner consistent with it acting as a time-cue. Specifically, parasites respond to isoleucine loss by slowing development. This is a parasite strategy rather than the consequences of an imposed constraint, because unlike when parasites are deprived of other essential nutrients, they suffer no apparent costs in the absence of isoleucine. Overall, our data suggest parasites can use the daily rhythmicity of blood-isoleucine concentration to synchronise asexual development with the availability of isoleucine, and potentially other resources, that arrive in the blood in a periodic manner due to the host’s daily feeding-fasting cycle. Identifying both how and why parasites keep time opens avenues for interventions; interfering with the parasite’s time-keeping mechanism may stall replication, increasing the efficacy of drugs and immune responses, and could also prevent parasites from entering dormancy to tolerate drugs.

Circadian clocks coordinate organisms’ activities with daily cycles in their environment. Parasites are subject to daily rhythms in the within-host environment, resulting from clock-control of host behaviours and physiologies, including immune responses. Parasites also exhibit rhythms in within-host activities; the timing of host feeding sets the timing of the within-host replication of malaria parasites. Why host feeding matters to parasites and how coordination with feeding is achieved are unknown. Determining whether parasites coordinate with clock-driven food-related rhythms of their hosts matters because rhythmic replication underpins disease symptoms and fuels transmission.We find that parasite rhythms became coordinated with the time of day that hosts feed in both wild type and clock-mutant mice, whereas parasite rhythmicity was lost in clock-mutant mice that fed continuously. These patterns occurred regardless of whether infections were initiated with synchronous or with desynchronised parasites.Malaria parasite rhythms are not driven by canonical clock-controlled host rhythms. Instead, we propose parasites coordinate with a temporally-restricted nutrient that becomes available through host digestion or are influenced by a separate clock-independent host process that directly responds to feeding. Thus, interventions could disrupt parasite rhythms to reduce their fitness, without interference by host clock-controlled-homeostasis.

Circadian rhythms enable organisms to synchronise the processes underpinning survival and reproduction to anticipate daily changes in the external environment. Recent work shows that daily (circadian) rhythms also enable parasites to maximise fitness in the context of ecological interactions with their hosts. Because parasite rhythms matter for their fitness, understanding how they are regulated could lead to innovative ways to reduce the severity and spread of diseases. Here, we examine how host circadian rhythms influence rhythms in the asexual replication of malaria parasites. Asexual replication is responsible for the severity of malaria and fuels transmission of the disease, yet, how parasite rhythms are driven remains a mystery. We perturbed feeding rhythms of hosts by 12 hours (i.e. diurnal feeding in nocturnal mice) to desynchronise the hosts' peripheral oscillators from the central, light-entrained oscillator in the brain and their rhythmic outputs. We demonstrate that the rhythms of rodent malaria parasites in day-fed hosts become inverted relative to the rhythms of parasites in night-fed hosts. Our results reveal that the hosts' peripheral rhythms (associated with the timing of feeding and metabolism), but not rhythms driven by the central, light-entrained circadian oscillator in the brain, determine the timing (phase) of parasite rhythms. Further investigation reveals that parasite rhythms correlate closely with blood glucose rhythms. In addition, we show that parasite rhythms resynchronise to the altered host feeding rhythms when food availability is shifted, which is not mediated through rhythms in the host immune system. Our observations suggest that parasites actively control their developmental rhythms. Finally, counter to expectation, the severity of disease symptoms expressed by hosts was not affected by desynchronisation of their central and peripheral rhythms. Our study at the intersection of disease ecology and chronobiology opens up a new arena for studying host-parasite-vector coevolution and has broad implications for applied bioscience.

Malaria parasites complete their intra-erythrocytic developmental cycle (IDC) in multiples of 24 hours (depending on the species), suggesting a circadian basis to the asexual cell cycle, but the mechanism controlling this periodicity is unknown. Combining in vivo and in vitro approaches using rodent and human malaria parasites, we reveal that: (i) 57% of Plasmodium chabaudi genes exhibit 24 h circadian periodicity in transcription; (ii) 58% of these genes lose transcriptional rhythmicity when the IDC is out-of-synchrony with host rhythms; (iii) 9% of Plasmodium falciparum genes show circadian transcription under free-running conditions; (iv) Serpentine receptor 10 (SR10) has a circadian transcription profile and disrupting it in rodent malaria parasites shortens the IDC by 2-3 hours; (v) Multiple processes including DNA replication and the ubiquitin and proteasome pathways are affected by loss of coordination with host rhythms and by disruption of SR10. Our results show that malaria parasites are at least partly responsible for scheduling their IDCs explaining the fitness benefits of coordination with host rhythms.

Infection can dramatically alter behavioural and physiological traits as hosts become sick and subsequently return to health. Such 'sickness behaviours' include disrupted circadian rhythms in both locomotor activity and body temperature. Host sickness behaviours vary in pathogen species-specific manners but the influence of pathogen intraspecific variation is rarely studied. We examine how infection with the murine malaria parasite, Plasmodium chabaudi, shapes sickness in terms of parasite genotype-specific effects on host circadian rhythms. We reveal that circadian rhythms in host locomotor activity patterns and body temperature become differentially disrupted and in parasite genotype-specific manners. Locomotor activity and body temperature in combination provide more sensitive measures of health than commonly used virulence metrics for malaria (e.g. anaemia). Moreover, patterns of host disruption cannot be explained simply by variation in replication rate across parasite genotypes or the severity of anaemia each parasite genotype causes. It is well known that disruption to circadian rhythms is associated with non-infectious diseases, including cancer, type 2 diabetes, and obesity. Our results reveal that disruption of host circadian rhythms is a genetically variable virulence trait of pathogens with implications for host health and disease tolerance.

That periodicity in the biting activity of mosquito vectors explains why malaria parasites have evolved rhythms in cycles of asexual replication in the host's blood was proposed almost 50 years ago. Yet, tests of this hypothesis have proved inconclusive. Using the rodent malaria Plasmodium chabaudi, we examine rhythms in the density and infectivity of transmission forms (gametocytes) in the host's blood, parasite development inside mosquitoes, and onwards transmission. Moreover, we control for the confounding effects of rhythms in mosquito susceptibility. We reveal that at night, gametocytes are twice as infective to mosquitoes, despite being less numerous in the blood. This enhanced infectiousness at night interacts with mosquito rhythms to increase sporozoite burdens by almost four-fold when mosquitoes feed during their day. Thus, daytime blood-feeding (e.g. driven by the use of bed nets) may render gametocytes less infective, but this is compensated for by the greater susceptibility of mosquitoes.

Abstract Undertaking certain activities at the time of day that maximises fitness is assumed to explain the evolution of circadian clocks. Organisms often use daily environmental cues such as light and food availability to set the timing of their clocks. These cues may be the environmental rhythms that ultimately determine fitness, act as proxies for the timing of less tractable ultimate drivers, or are used simply to maintain internal synchrony. While many pathogens/parasites undertake rhythmic activities, both the proximate and ultimate drivers of their rhythms are poorly understood. Explaining the roles of rhythms in infections offers avenues for novel interventions to interfere with parasite fitness and reduce the severity and spread of disease. Here, we perturb several rhythms in the hosts of malaria parasites to investigate why parasites align their rhythmic replication to the host’s feeding-fasting rhythm. We manipulated host rhythms governed by light, food, or both, and assessed the fitness implications for parasites, and the consequences for hosts, to test which host rhythms represent ultimate drivers of the parasite’s rhythm. We found that alignment with the host’s light-driven rhythms did not affect parasite fitness metrics. In contrast, aligning with the timing of feeding-fasting rhythms may be beneficial for the parasite, but only when the host possess a functional canonical circadian clock. Because parasites in clock-disrupted hosts align with the host’s feeding-fasting rhythms and yet derive no apparent benefit, our results suggest cue(s) from host food act as a proxy rather than being a key selective driver of the parasite’s rhythm. Alternatively, parasite rhythmicity may only be beneficial because it promotes synchrony between parasite cells and/or allows parasites to align to the biting rhythms of vectors. Our results also suggest that interventions can disrupt parasite rhythms by targeting the proxies or the selective factors driving them without impacting host health.