Transmission represents a population bottleneck in the Plasmodium life cycle and a key intervention target of ongoing efforts to eradicate malaria. Sexual differentiation is essential for this process, as only sexual parasites, called gametocytes, are infective to the mosquito vector. Gametocyte production rates vary depending on environmental conditions, but external stimuli remain obscure. Here, we show that the host-derived lipid lysophosphatidylcholine (LysoPC) controls P. falciparum cell fate by repressing parasite sexual differentiation. We demonstrate that exogenous LysoPC drives biosynthesis of the essential membrane component phosphatidylcholine. LysoPC restriction induces a compensatory response, linking parasite metabolism to the activation of sexual-stage-specific transcription and gametocyte formation. Our results reveal that malaria parasites can sense and process host-derived physiological signals to regulate differentiation. These data close a critical knowledge gap in parasite biology and introduce a major component of the sexual differentiation pathway in Plasmodium that may provide new approaches for blocking malaria transmission.

Epigenetic processes are the main conductors of phenotypic variation in eukaryotes. The malaria parasite Plasmodium falciparum employs antigenic variation of the major surface antigen PfEMP1, encoded by 60 var genes, to evade acquired immune responses. Antigenic variation of PfEMP1 occurs through in situ switches in mono-allelic var gene transcription, which is PfSIR2-dependent and associated with the presence of repressive H3K9me3 marks at silenced loci. Here, we show that P. falciparum heterochromatin protein 1 (PfHP1) binds specifically to H3K9me3 but not to other repressive histone methyl marks. Based on nuclear fractionation and detailed immuno-localization assays, PfHP1 constitutes a major component of heterochromatin in perinuclear chromosome end clusters. High-resolution genome-wide chromatin immuno-precipitation demonstrates the striking association of PfHP1 with virulence gene arrays in subtelomeric and chromosome-internal islands and a high correlation with previously mapped H3K9me3 marks. These include not only var genes, but also the majority of P. falciparum lineage-specific gene families coding for exported proteins involved in host–parasite interactions. In addition, we identified a number of PfHP1-bound genes that were not enriched in H3K9me3, many of which code for proteins expressed during invasion or at different life cycle stages. Interestingly, PfHP1 is absent from centromeric regions, implying important differences in centromere biology between P. falciparum and its human host. Over-expression of PfHP1 results in an enhancement of variegated expression and highlights the presence of well-defined heterochromatic boundaries. In summary, we identify PfHP1 as a major effector of virulence gene silencing and phenotypic variation. Our results are instrumental for our understanding of this widely used survival strategy in unicellular pathogens.

Sexual development in Plasmodium Malaria-causing parasites ( Plasmodium ) have complex life histories in the tissues of humans. For the most part, the parasites focus their efforts on replication within the human host cells. However, occasionally, some replicating cells release gametes into the bloodstream, which are picked up by biting mosquitoes. Filarsky et al. discovered that the Plasmodium parasite keeps the production of gametes under tight epigenetic control using heterochromatin protein 1 (HP1). Plasmodium gametocytogenesis is initiated when HP1 is evicted from upstream of gamete-specific genes by gametocyte development 1 (GDV1) protein. GDV1 is in turn regulated by its antisense RNA. What triggers GDV1 expression remains unclear. Elucidating this pathway could provide a target for interrupting malaria transmission. Science , this issue p. 1259

Abstract Malaria is a mosquito-borne disease caused by apicomplexan parasites of the genus Plasmodium. Completion of the parasite’s life cycle depends on the transmission of sexual stages, the gametocytes, from an infected human host to the mosquito vector. Sexual commitment occurs in only a small fraction of asexual blood stage parasites and is initiated by external cues. The gametocyte development protein 1 (GDV1) has been described as a key facilitator to trigger sexual commitment. GDV1 interacts with the silencing factor heterochromatin protein 1 (HP1), leading to its dissociation from heterochromatic DNA at the genomic locus encoding AP2-G, the master transcription factor of gametocytogenesis. How this process is regulated is not known. In this study we have addressed the role of protein kinases implicated in gametocyte development. From a pool of available protein kinase KO lines, we identified two kinase knockout lines which fail to produce gametocytes. However, independent genetic verification revealed that both kinases are not required for gametocytogenesis but both lines harbour the same mutation that leads to a truncation in the extreme C-terminus of GDV1. Introduction of the identified nonsense mutation into the genome of wild type parasite lines replicates the observed phenotype. Using a GDV1 overexpression line we show that the truncation in the GDV1 C-terminus does neither interfere with the nuclear import of GDV1 nor its interaction with HP1 in vitro , but appears important to sustain GDV1 protein levels and thereby sexual commitment. Importance Transmission of malaria causing Plasmodium species by mosquitos requires the parasite to change from a continuously growing asexual parasite form growing in the blood, to a sexually differentiated form, the gametocyte. Only a small subset of asexual parasites differentiates into gametocytes that are taken up by the mosquito. Transmission represents a bottleneck in the lifecycle of the parasite, so a molecular understanding of the events that lead to stage conversion may identify novel intervention points. Here we screened a subset of kinases we hypothesized to play a role in this process. While we did not identify kinases required for sexual conversion, we identified a mutation in the C-terminus of the Gametocyte Development 1 protein (GDV1), which abrogates sexual development. The mutation destabilises the protein but not its interaction with its cognate binding partner HP1. This suggest an important role for the GDV1 C-terminus beyond trafficking and protein stability.

Abstract The malaria parasite Plasmodium falciparum employs antigenic variation of the virulence factor P. falciparum erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1) to escape adaptive immune responses during blood infection. Antigenic variation of PfEMP1 occurs through epigenetic switches in the mutually exclusive expression of individual members of the multi-copy var gene family. var genes are located in perinuclear clusters of transcriptionally inactive heterochromatin. Singular var gene activation is linked to locus repositioning into a dedicated zone at the nuclear periphery and deposition of histone 3 lysine 4 di-/trimethylation (H3K4me2/3) and H3K9 acetylation marks in the promoter region. While previous work identified the putative H3K4-specific methyltransferase PfSET10 as an essential enzyme and positive regulator of var gene expression, a recent study reported conflicting data. Here, we used iterative genome editing to engineer a conditional PfSET10 knockout line tailored to study the function of PfSET10 in var gene regulation. We demonstrate that PfSET10 is not required for mutually exclusive var gene expression and switching. We also show that PfSET10 is dispensable not only for asexual parasite proliferation but also for sexual conversion and gametocyte differentiation. Furthermore, comparative RNA-seq experiments revealed that PfSET10 plays no obvious role in regulating gene expression during asexual parasite development and gametocytogenesis. Interestingly, however, PfSET10 shows different subnuclear localization patterns in asexual and sexual stage parasites and female-specific expression in mature gametocytes. In summary, our work confirms in detail that PfSET10 is not involved in regulating var gene expression and not required for blood stage parasite viability, indicating PfSET10 may be important for life cycle progression in the mosquito vector or during liver stage development.