Abstract In malaria parasites, guanylyl cyclases (GCs), which synthesise cyclic GMP (cGMP), are associated with a P4-ATPase-like domain in a unique bifunctional configuration. P4-ATPases generate membrane bilayer lipid asymmetry by translocating phospholipids from the outer to the inner leaflet. Here we investigate the role of Plasmodium falciparum guanylyl cyclase alpha (GCα) and its associated P4-ATPase module, showing that asexual blood stage parasites lacking both the cyclase and P4-ATPase domains are unable to egress from host erythrocytes. GCα-null parasites cannot synthesise cGMP, or mobilise calcium, a cGMP-dependent protein kinase (PKG)-driven requirement for egress. Using chemical complementation with a cGMP analogue and point mutagenesis of a crucial conserved residue within the P4-ATPase domain, we show that ATPase activity is up stream of and linked to cGMP synthesis. Collectively, our results demonstrate that GCα is a critical regulator of PKG and that its associated P4-ATPase domain plays a primary role in generating cGMP for merozoite egress.

Abstract In model organisms P4-ATPases require cell division control protein 50 (CDC50) chaperones for their phospholipid flipping activity. In the malaria parasite, P. falciparum, guanylyl cyclase alpha (GCα) is an integral membrane protein that is essential for release (egress) of merozoites from their host erythrocytes. GCα is unusual in that it contains both a C-terminal cyclase domain and an N-terminal P4-ATPase domain of unknown function. We sought to investigate whether any of the three CDC50 orthologues (denoted A, B and C) encoded by P. falciparum are required for GCα function. Using gene tagging and conditional gene disruption, we demonstrate that both CDC50B and CDC50C are expressed in the clinically important asexual blood stages and that CDC50B is a binding partner of GCα whereas CDC50C is the binding partner of another putative P4-ATPase, ATP2. Our findings indicate that CDC50B has no essential role for intraerythrocytic parasite maturation but modulates the rate of parasite egress by interacting with GCα for optimal cGMP synthesis. In contrast, CDC50C is essential for blood stage trophozoite maturation. Additionally, we find that the CDC50C-ATP2 complex may influence parasite endocytosis of host cell haemoglobin and consequently hemozoin formation.

Tackling relapsing Plasmodium vivax and zoonotic Plasmodium knowlesi infections is critical to reducing malaria incidence and mortality worldwide. Understanding the biology of these important and related parasites was previously constrained by the lack of robust molecular and genetic approaches. Here, we establish CRISPR-Cas9 genome editing in a culture-adapted P. knowlesi strain and define parameters for optimal homology-driven repair. We establish a scalable protocol for the production of repair templates by PCR and demonstrate the flexibility of the system by tagging proteins with distinct cellular localisations. Using iterative rounds of genome-editing we generate a transgenic line expressing P. vivax Duffy binding protein (PvDBP), a lead vaccine candidate. We demonstrate that PvDBP plays no role in reticulocyte restriction but can alter the macaque/human host cell tropism of P. knowlesi. Critically, antibodies raised against the P. vivax antigen potently inhibit proliferation of this strain, providing an invaluable tool to support vaccine development.

Abstract We previously reported that the Plasmodium falciparum putative serine/threonine protein phosphatase 7 (PP7) is a high confidence substrate of the cAMP-dependent protein kinase (PKA). Here we explore the function of PP7 in asexual P. falciparum blood stage parasites. We show that conditional disruption of PP7 leads to a severe growth arrest. We show that PP7 is a calcium-dependent phosphatase which interacts with calmodulin and calcium-dependent protein kinase 1 (CDPK1), consistent with a role in calcium signalling. Notably, PP7 was found to be dispensable for erythrocyte invasion, but was crucial for ring-stage development, with PP7-null parasites arresting shortly following invasion and showing no transition to ameboid forms. Phosphoproteomic analysis revealed that PP7 may regulate dephosphorylation of PKAc substrates, particularly in the presence of Ca 2+ . Its interaction with calmodulin and CDPK1 further emphasise a role in calcium signalling, while its impact on early ring development and PKAc substrate phosphorylation underscores its importance in parasite development.

The efficacy of current antimalarial drugs is threatened by reduced susceptibility of Plasmodium falciparum to artemisinin. In the Mekong region this is associated with mutations in the kelch propeller-encoding domain of pfkelch13, but variants of other parasite proteins are also thought to modulate the response to drug. Evidence from human and rodent studies suggests that the mu-subunit of the AP-2 adaptin trafficking complex is one such protein of interest. We generated transgenic Plasmodium falciparum parasites encoding the I592T variant of pfap2mu, orthologous to the I568T mutation associated with in vivo artemisinin resistance in P. chabaudi. When exposed to a four-hour pulse of dihydroartemisin in the ring-stage survival assay, two P. falciparum clones expressing AP-2mu I592T displayed significant and reproducible survival of 8.0% and 10.3%, respectively, compared to <2% for the 3D7 parental line (P = 0.0011 for each clone). In immunoprecipitation and localisation studies of HA-tagged AP-2mu, we identified interacting partners including AP-2alpha, AP-1/2beta, AP-2sigma and a kelch-domain protein encoded on chromosome 10 of P. falciparum, K10. Conditional knockout indicates that the AP-2 trafficking complex in P. falciparum is essential for the fidelity of merozoite biogenesis and membrane organisation in the mature schizont. We also show that while other heterotetrameric AP-complexes and secretory factors interact with clathrin, AP-2 complex subunits do not. Thus, the AP-2 complex may be diverted from a clathrin-dependent endocytic role seen in most eukaryotes into a Plasmodium-specific function. These findings represent striking divergences from eukaryotic dogma and support a role for intracellular traffic in determining artemisinin sensitivity in vitro, confirming the existence of multiple functional routes to reduced ring-stage artemisinin susceptibility. Therefore, the utility of pfkelch13 variants as resistance markers is unlikely to be universal, and phenotypic surveillance of parasite susceptibility in vivo may be needed to identify threats to our current combination therapies.

Cyclic nucleotide–dependent phosphodiesterases (PDEs) play essential roles in regulating the malaria parasite life cycle, suggesting that they may be promising antimalarial drug targets. PDE inhibitors are used safely to treat a range of noninfectious human disorders. Here, we report three subseries of fast-acting and potent Plasmodium falciparum PDEβ inhibitors that block asexual blood-stage parasite development and that are also active against human clinical isolates. Two of the inhibitor subseries also have potent transmission-blocking activity by targeting PDEs expressed during sexual parasite development. In vitro drug selection experiments generated parasites with moderately reduced susceptibility to the inhibitors. Whole-genome sequencing of these parasites detected no mutations in PDEβ but rather mutations in downstream effectors: either the catalytic or regulatory subunits of cyclic adenosine monophosphate–dependent protein kinase (PKA) or in the 3-phosphoinositide-dependent protein kinase that is required for PKA activation. Several properties of these P. falciparum PDE inhibitor series make them attractive for further progression through the antimalarial drug discovery pipeline.