The vast majority of malaria mortality is attributed to one parasite species: Plasmodium falciparum . Asexual replication of the parasite within the red blood cell is responsible for the pathology of the disease. In Plasmodium , the endoplasmic reticulum (ER) is a central hub for protein folding and trafficking as well as stress response pathways. In this study, we tested the role of an uncharacterized ER protein, PfGRP170, in regulating these key functions by generating conditional mutants. Our data show that PfGRP170 localizes to the ER and is essential for asexual growth, specifically required for proper development of schizonts. PfGRP170 is essential for surviving heat shock, suggesting a critical role in cellular stress response. The data demonstrate that PfGRP170 interacts with the Plasmodium orthologue of the ER chaperone, BiP. Finally, we found that loss of PfGRP170 function leads to the activation of the Plasmodium eIF2α kinase, PK4, suggesting a specific role for this protein in this parasite stress response pathway.

The human malaria parasite, Plasmodium falciparum , contains an essential plastid called the apicoplast. Most of apicoplast proteins are encoded by the nuclear genome and it is unclear how the plastid proteome is regulated. Here, we study an apicoplast-localized caseinolytic-protease (Clp) system and how it regulates organelle proteostasis. Using null and conditional mutants, we demonstrated that the Clp protease (PfClpP) has robust enzymatic activity that is essential for apicoplast biogenesis. We developed a CRISPR/Cas9 based system to express catalytically-dead PfClpP, which showed that PfClpP oligomerizes as a zymogen and matured via trans-autocatalysis. The expression of a Clp chaperone (PfClpC) mutant led to the discovery of a functional chaperone-protease interaction essential for plastid function. Conditional mutants of the substrate-adaptor (PfClpS) demonstrated its essential function in plastid biogenesis. A combination of multiple affinity purification screens identified the Clp complex composition as well as putative Clp substrates. This comprehensive study reveals the molecular composition and interactions influencing the proteolytic function of the apicoplast Clp system and demonstrates its central role in the biogenesis of the plastid in malaria parasites.

Malaria is a significant cause of morbidity and mortality worldwide. This disease, which primarily affects those living in tropical and subtropical regions, is caused by infection with Plasmodium parasites. The development of better drugs to combat malaria can be accelerated by improving our understanding of the biology of this complex parasite. Genetic manipulation of these parasites is key to understanding their biology, but historically, the genome of P. falciparum has been difficult to manipulate. Recently, CRISPR/Cas9 genome editing has been utilized in malaria parasites, allowing for easier protein tagging, generation of conditional protein knockdowns, and deletion of genes. CRISPR/Cas9 genome editing has proven to be a powerful tool for advancing the field of malaria research. Here, we describe a CRISPR/Cas9 method for generating glmS-based conditional knockdown mutants in P. falciparum. The method is highly adaptable to other types of genetic manipulations, including protein tagging and gene knockouts.

The deadly malaria parasite, Plasmodium falciparum, contains a non-photosynthetic plastid known as the apicoplast, that functions to produce essential metabolites. Little is known about its biology or regulation, but drugs that target the apicoplast are clinically effective. Using phylogenetic analysis, we identified a putative complex of clp (caseinolytic protease) genes. We genetically targeted members of this complex and generated conditional mutants of the PfClpC chaperone and PfClpP protease and found that they co-localize in the apicoplast. Conditional inhibition of the PfClpC chaperone resulted in growth arrest and apicoplast loss, and was rescued by addition of the essential apicoplast-derived metabolite, IPP. Using a double conditional-mutant parasite line, we discovered that the chaperone activity is required to stabilize the active protease, revealing functional interactions. These data demonstrate the essential function of PfClpC in maintaining apicoplast integrity and its role in regulating the proteolytic activity of the Clp complex.

Export of parasite proteins into the host erythrocyte is essential for survival of Plasmodium falciparum during its asexual lifecycle. While several studies described key factors within the parasite that are involved in protein export, the mechanisms employed to traffic exported proteins within the host cell are currently unknown. Members of the Hsp70 family of chaperones, together with their Hsp40 co-chaperones, facilitate protein trafficking in other organisms, and are thus likely used by P. falciparum in the trafficking of its exported proteins. A large group of Hsp40 proteins is encoded by the parasite and exported to the host cell, but only one Hsp70, PfHsp70x, is exported with them. PfHsp70x is absent from most Plasmodium species and is found only in P. falciparum and closely-related species that infect Apes. Herein, we have utilized CRISPR/Cas9 genome editing in P. falciparum to investigate the essentiality of PfHsp70x. We show that parasitic growth was unaffected by knockdown of PfHsp70x using both the DHFR-based Destabilization Domain and the glmS ribozyme system. Similarly, a complete gene knockout of PfHsp70x did not affect the ability of P. falciparum to proceed through its intraerythrocytic lifecycle. The effect of PfHsp70x knockout on the export of proteins to the host RBC was tested and we found that this process was unaffected. These data show that although PfHsp70x is the sole exported Hsp70, it is not essential for the asexual development of P. falciparum.

The cis -polyisoprenoid lipids namely polyprenols, dolichols and their derivatives are linear polymers of several isoprene units. In eukaryotes, polyprenols and dolichols are synthesized as a mixture of four or more homologues of different length with one or two predominant species with sizes varying among organisms. Polyprenols have been hardly detectable in eukaryotic cells under normal conditions with the exception of plants and sporulating yeast. Our metabolomics studies revealed that cis -polyisoprenoids are more prevalent and diverse in the parasite Plasmodium falciparum than previously postulated as we uncovered active de novo biosynthesis and substantial levels of accumulation of polyprenols and dolichols of 15 to 19 isoprene units. A distinctive polyprenol and dolichol profile both within the intraerythrocytic asexual cycle and between asexual and gametocyte stages was also observed suggesting that cis -polyisoprenoid biosynthesis changes throughout parasite’s development. In addition, we confirmed the presence of an active cis -prenyltransferase (PfCPT) and that dolichol biosynthesis occurs via reduction of the polyprenol to dolichol by an active polyprenol reductase (PfPPRD) in the malaria parasite. Isotopic labeling and metabolomic analyses of a conditional mutant of PfCPT or PfPPRD suggest that polyprenols may be able to substitute dolichols in their biological functions when dolichol synthesis is impaired in Plasmodium .