Sexual differentiation of malaria parasites into gametocytes in the vertebrate host and subsequent gamete fertilization in mosquitoes is essential for the spreading of the disease. The molecular processes orchestrating these transitions are far from fully understood. Here, we report the first transcriptome analysis of male and female Plasmodium falciparum gametocytes coupled with a comprehensive proteome analysis. In male gametocytes there is an enrichment of proteins involved in the formation of flagellated gametes; proteins involved in DNA replication, chromatin organization and axoneme formation. On the other hand, female gametocytes are enriched in proteins required for zygote formation and functions after fertilization; protein-, lipid- and energy-metabolism. Integration of transcriptome and proteome data revealed 512 highly expressed maternal transcripts without corresponding protein expression indicating large scale translational repression in P. falciparum female gametocytes for the first time. Despite a high degree of conservation between Plasmodium species, 260 of these ‘repressed transcripts’ have not been previously described. Moreover, for some of these genes, protein expression is only reported in oocysts and sporozoites indicating that repressed transcripts can be partitioned into short- and long-term storage. Finally, these data sets provide an essential resource for identification of vaccine/drug targets and for further mechanistic studies.

Abstract Insect-borne diseases kill >0.5 million people annually. Currently available repellents for personal or household protection are limited in their efficacy, applicability, and safety profile. Here, we describe a machine-learning-driven high-throughput method for the discovery of novel repellent molecules. To achieve this, we digitized a large, historic dataset containing ∼19,000 mosquito repellency measurements. We then trained a graph neural network (GNN) to map molecular structure and repellency. We applied this model to select 317 candidate molecules to test in parallelizable behavioral assays, quantifying repellency in multiple pest species and in follow-up trials with human volunteers. The GNN approach outperformed a chemoinformatic model and produced a hit rate that increased with training data size, suggesting that both model innovation and novel data collection were integral to predictive accuracy. We identified >10 molecules with repellency similar to or greater than the most widely used repellents. We analyzed the neural responses from the mosquito antennal (olfactory) lobe to selected repellents and found a limited correlation between these responses and our GNN representation. This approach enables computational screening of billions of possible molecules to identify empirically tractable numbers of candidate repellents, leading to accelerated progress towards solving a global health challenge.

Malaria eradication is critically dependent on novel drugs that target resistant Plasmodium parasites and block transmission of the disease. Here we report the discovery of potent pantothenamide bioisosteres that are active against blood-stage P. falciparum and also block onward mosquito transmission. These compounds are resistant to degradation by serum pantetheinases, show favorable pharmacokinetic properties and clear parasites in a humanized rodent infection model. Metabolomics revealed that CoA biosynthetic enzymes convert pantothenamides into drug-conjugates that interfere with parasite acetyl-CoA anabolism. In vitro generated resistant parasites showed mutations in acetyl-CoA synthetase and acyl-CoA synthetase 11, confirming the key roles of these enzymes in the sensitivity to pantothenamides. These new pantothenamides provide a promising class of antimalarial drugs with a unique mode of action.

Abstract This work addresses the need for new chemical matter in product development for control of pest insects and vector-borne diseases. We present a barcoding strategy that enables phenotypic screens of blood-feeding insects against small molecules in microtiter plate-based arrays and apply this to discovery of novel systemic insecticides and compounds that block malaria parasite development in the mosquito vector. Encoding of the bloodmeals was achieved through recombinant DNA-tagged Asaia bacteria that successfully colonized Aedes and Anopheles mosquitoes. An arrayed screen of a collection of pesticides showed that chemical classes of avermectins, phenylpyrazoles and neonicotinoids were enriched for compounds with systemic adulticide activity against Anopheles . Using a luminescent Plasmodium falciparum reporter strain, barcoded screens identified 48 drug-like transmission blocking compounds from a 400-compound antimicrobial library. The approach significantly increases the throughput in phenotypic screening campaigns using adult insects, and identifies novel candidate small molecules for disease control.

The current paradigm states that inflammatory pain passively resolves following the cessation of the inflammatory insult. Yet, in a substantial proportion of patients with inflammatory diseases, such as rheumatoid arthritis and inflammatory bowel disease, spontaneous or treatment-induced resolution of inflammation is not sufficient to resolve pain, resulting in chronic pain. Mechanistic insight as how inflammatory pain is resolved is lacking. Here we show that macrophages actively control resolution of inflammatory pain remotely from the site of inflammation by transferring mitochondria to sensory neurons. During resolution of inflammatory pain in mice, M2-like macrophages infiltrate the dorsal root ganglia that contain the somata of sensory neurons, concurrent with the recovery of oxidative phosphorylation in sensory neurons. To resolve pain, macrophages transfer mitochondria to sensory neurons. This transfer requires expression of CD200 Receptor (CD200R) on macrophages and the non-canonical CD200R-ligand iSec1 on sensory neurons. Our data reveal a novel mechanism for active resolution of inflammatory pain and suggests a new direction for treatment of chronic pain.

Abstract A central challenge of antimalarial therapy is the emergence of resistance to the components of artemisinin-based combination therapies (ACTs) and the urgent need for new drugs acting through novel mechanism of action. Over the last decade, compounds identified in phenotypic high throughput screens (HTS) have provided the starting point for six candidate drugs currently in the Medicines for Malaria Venture (MMV) clinical development portfolio. However, the published screening data which provided much of the new chemical matter for malaria drug discovery projects have been extensively mined. Here we present a new screening and selection cascade for generation of hit compounds active against the blood stage of Plasmodium falciparum . In addition, we validate our approach by testing a library of 141,786 compounds not reported earlier as being tested against malaria. The Hit Generation Library 1 (HGL1) was designed to maximise the chemical diversity and novelty of compounds with physicochemical properties associated with potential for further development. A robust HTS cascade containing orthogonal efficacy and cytotoxicity assays, including a newly developed and validated nanoluciferase-based assay was used to profile the compounds. 75 compounds (Screening Active hit rate of 0.05%) were identified meeting our stringent selection criteria of potency in drug sensitive (NF54) and drug resistant (Dd2) parasite strains (IC 50 ≤ 2 µM), rapid speed of action and cell viability in HepG2 cells (IC 50 ≥ 10 µM). Following further profiling, 33 compounds were identified that meet the MMV Confirmed Active profile and are high quality starting points for new antimalarial drug discovery projects.