Toxoplasma gondii is a ubiquitous, intracellular protozoan that extensively modifies infected host cells through secreted effector proteins. Many such effectors must be translocated across the parasitophorous vacuole (PV) in which the parasites replicate, ultimately ending up in the host cytosol or nucleus. This translocation has previously been shown to be dependent on five parasite proteins: MYR1, MYR2, MYR3, ROP17, and ASP5. We report here the identification of several MYR1-interacting and novel PV-localized proteins via affinity purification of MYR1, including TGGT1\_211460 (dubbed MYR4), TGGT1\_204340 (dubbed GRA54) and TGGT1_270320 (PPM3C). Further, we show that three of the MYR1-interacting proteins, GRA44, GRA45, and MYR4, are essential for the translocation of the Toxoplasma effector protein GRA16, and for the upregulation of human c-Myc and cyclin E1 in infected cells. GRA44 and GRA45 contain ASP5-processing motifs, but like MYR1, processing at these sites appears to be nonessential for their role in protein translocation. These results expand our understanding of the mechanism of effector translocation in Toxoplasma and indicate that the process is highly complex and dependent on at least eight discrete proteins.

Toxoplasma gondii , a protozoan parasite, undergoes a complex and poorly understood developmental process that is critical for establishing a chronic infection in its intermediate hosts. Here, we applied single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) on >5,400 Toxoplasma in both tachyzoite and bradyzoite stages using three widely studied strains to construct a comprehensive atlas of cell-cycle and asexual development, revealing hidden states and transcriptional factors associated with each developmental stage. Analysis of SAG1-related sequence (SRS) antigenic repertoire reveals a highly heterogeneous, sporadic expression pattern unexplained by measurement noise, cell cycle, or asexual development. Furthermore, we identified AP2IX-1 as a transcription factor that controls the switching from the ubiquitous SAG1 to rare surface antigens not previously observed in tachyzoites. In addition, comparative analysis between Toxoplasma and Plasmodium scRNA-seq results reveals concerted expression of gene sets, despite fundamental differences in cell division. Lastly, we built an interactive data-browser for visualization of our atlas resource.

Abstract Toxoplasma gondii has numerous, large, paralogous gene families that are likely critical for supporting its unparalleled host range: nearly any nucleated cell in almost any warm-blooded animal. The SRS (SAG1-related sequence) gene family encodes over 100 proteins, the most abundant of which are thought to be involved in parasite attachment and, based on their stage-specific expression, evading the host immune response. For most SRS proteins, however, little is understood about their function and expression profile. Single-parasite RNA-sequencing previously demonstrated that across an entire population of lab-grown tachyzoites, transcripts for over 70 SRS genes were detected in at least one parasite. In any one parasite, however, transcripts for an average of only 7 SRS genes were detected, two of which, SAG1 and SAG2A , were extremely abundant and detected in virtually all. These data do not address whether this pattern of sporadic SRS gene expression is consistently inherited among the progeny of a given parasite or arises independently of lineage. We hypothesized that if SRS expression signatures are stably inherited by progeny, subclones isolated from a cloned parent would be more alike in their expression signatures than they are to the offspring of another clone. In this report, we compare transcriptomes of clonally derived parasites to determine the degree to which expression of the SRS family is stably inherited in individual parasites. Our data indicate that in RH tachyzoites, SRS genes are variably expressed even between parasite samples subcloned from the same parent within approximately 10 parasite divisions (72 hours). This suggests that the pattern of sporadically expressed SRS genes is highly variable and not driven by inheritance mechanisms, at least under our conditions.