Dissecting Plasmodium drug resistance Malaria is a deadly disease with no effective vaccine. Physicians thus depend on antimalarial drugs to save lives, but such compounds are often rendered ineffective when parasites evolve resistance. Cowell et al. systematically studied patterns of Plasmodium falciparum genome evolution by analyzing the sequences of clones that were resistant to diverse antimalarial compounds across the P. falciparum life cycle (see the Perspective by Carlton). The findings identify hitherto unrecognized drug targets and drug-resistance genes, as well as additional alleles in known drug-resistance genes. Science , this issue p. 191 ; see also p. 159

Summary In vitro evolution and whole genome analysis were used to comprehensively identify the genetic determinants of chemical resistance in the model microbe, Saccharomyces cerevisiae . Analysis of 355 curated, laboratory-evolved clones, resistant to 80 different compounds, demonstrates differences in the types of mutations that are identified in selected versus neutral evolution and reveals numerous new, compound-target interactions. Through enrichment analysis we further identify a set of 137 genes strongly associated with or conferring drug resistance as indicated by CRISPR-Cas9 engineering. The set of 25 most frequently mutated genes was enriched for transcription factors and for almost 25 percent of the compounds, resistance was mediated by one of 100 independently derived, gain-of-function, single nucleotide variants found in 170-amino-acid domains in two Zn 2 C 6 transcription factors, YRR1 and YRM1 (p < 1x 10 −100 ). This remarkable enrichment for transcription factors as drug resistance genes may explain why it is challenging to develop effective antifungal killing agents and highlights their important role in evolution.

Chemogenetic characterization through in vitro evolution combined with whole genome analysis is a powerful tool to discover novel antimalarial drug targets and identify drug resistance genes. Our comprehensive genome analysis of 262 Plasmodium falciparum parasites treated with 37 diverse compounds reveals how the parasite evolves to evade the action of small molecule growth inhibitors. This detailed data set revealed 159 gene amplifications and 148 nonsynonymous changes in 83 genes which developed during resistance acquisition. Using a new algorithm, we show that gene amplifications contribute to 1/3 of drug resistance acquisition events. In addition to confirming known multidrug resistance mechanisms, we discovered novel multidrug resistance genes. Furthermore, we identified promising new drug target-inhibitor pairs to advance the malaria elimination campaign, including: thymidylate synthase and a benzoquinazolinone, farnesyltransferase and a pyrimidinedione, and a dipeptidylpeptidase and an arylurea. This deep exploration of the P. falciparum resistome and drug-able genome will guide future drug discovery and structural biology efforts, while also advancing our understanding of resistance mechanisms of the deadliest malaria parasite.