Abstract The malaria parasite relies on anaerobic glycolysis for energy supply when growing inside RBCs as its mitochondrion does not produce ATP. The ring stage lasts ∼ 22 hours and is traditionally thought to be metabolically quiescent. However, recent studies show that the ring stage is active for several energy-costly processes including gene transcription/translation, protein export, and movement inside the RBC. It has remained unclear if a low glycolytic flux can meet the energy demand of the ring stage. Here we show that the metabolic by-product, pyrophosphate, is a critical energy source for the development of the ring stage and its transition to the trophozoite stage. During early phases of the asexual development, the parasite utilizes Plasmodium falciparum vacuolar pyrophosphatase 1 (PfVP1), an ancient pyrophosphate-driven proton pump, to pump protons across the parasite plasma membrane to maintain the membrane potential and cytosolic pH. Conditional deletion of PfVP1 leads to delayed ring stage development and a complete blockage of the ring-to-trophozoite transition, which can be partially rescued by Arabidopsis thaliana vacuolar pyrophosphatase 1, but not by the soluble pyrophosphatase from Saccharomyces cerevisiae . Proton-pumping pyrophosphatases are absent in humans, which highlights the possibility of developing highly selective VP1 inhibitors against the malaria parasite.

ABSTRACT The mitochondrion of malaria parasites is an attractive antimalarial drug target, which require mitoribosomes to translate genes encoded in the mitochondrial (mt) DNA. Plasmodium mitoribosomes are composed of highly fragmented ribosomal RNA (rRNA) encoded in the mtDNA. All mitoribosomal proteins (MRPs) and other assembly factors are encoded in the nuclear genome. Here, we have studied one small subunit (SSU) MRP, RSM22 (Pf3D7_1027200) and one large subunit (LSU) MRP, L23 (Pf3D7_1239100) in Plasmodium falciparum . We show that both proteins localize to the mitochondrion and are essential for parasite survival. However, the parasites survive conditional knock down (KD) of PfRSM22 for two days longer than PfMRPL23 KD. RNA sequencing revealed transcriptomic changes of the nuclear and mitochondrial genomes upon KD of these MRPs. In the early phase following KD, while most mt rRNAs and transcripts of putative MRPs were downregulated in the absence of PfRSM22, several mt rRNAs and MRPs were upregulated after KD of PfMRPL23. At the late time points of KD, loss of PfRSM22 and PfMRPL23 caused defects in many essential metabolic pathways, leading to parasite death. There was a significant overlap among the mitochondrial related transcripts downregulated in the late phase of PfRSM22 and PfMRPL23 KDs. We have also identified a list of mitochondrial proteins of unknown function that are likely Plasmodium MRPs based on their structural similarity to known MRPs as well as their expression profiles in KD parasites.

Abstract Malaria remains a huge global health burden and control of this disease has run into a severe bottleneck. To defeat malaria and reach the goal of eradication, a deep understanding of parasite biology is urgently needed. The mitochondrion of the malaria parasite is essential throughout the parasite’s lifecycle and has been validated as a clinical drug target. In the asexual development of Plasmodium spp ., the single mitochondrion grows from a small tubular structure to a complex branched network. At the end of schizogony when 8-32 merozoites are produced, the branched mitochondrion is precisely divided, distributing one mitochondrion to each forming daughter merozoite. In mosquito and liver stages, the giant mitochondrial network is split into thousands of pieces then daughter mitochondria are segregated into individual progeny. Despite the significance of mitochondrial fission in Plasmodium , the underlying mechanism is largely unknown. Studies of mitochondrial fission in model eukaryotes have revealed that several mitochondrial fission adaptor proteins are involved in recruiting dynamin GTPases to physically split mitochondrial membranes. Apicomplexan parasites, however, share no identifiable homologs of mitochondrial fission adaptor proteins of yeast or human, except for Fis1. Here, we investigated the localization and essentiality of the Fis1 homolog in Plasmodium falciparum , PfFis1 (PF3D7_1325600), during the asexual lifecycle. We found that PfFis1 requires an intact C-terminus for mitochondrial localization but is not essential for parasite development or mitochondrial fission. The dispensable role of PfFis1 indicates Plasmodium contains additional fission adaptor proteins on the mitochondrial outer membrane that could be essential for mitochondrial fission. Importance Malaria is responsible for over 230 million clinical cases and ∼ half a million deaths each year. The single mitochondrion of the malaria parasite functions as a metabolic hub throughout the parasite’s developmental cycle as well as a source of ATP in certain stages. To pass on its essential functions, the parasite’s mitochondrion needs to be properly divided and segregated into all progeny during cell division via a process named mitochondrial fission. Due to the divergent nature of Plasmodium spp ., molecular players involved in mitochondrial fission and their mechanisms of action remain largely unknown. We found that Fis1, the only identifiable mitochondrial fission adaptor protein evolutionarily conserved in the phylum of Apicomplexa, however, is not essential for Plasmodium falciparum . Our data suggest that malaria parasites use redundant fission adaptor proteins on the mitochondrial outer membrane to mediate the fission process.

The mitochondrion of malaria parasites contains clinically validated drug targets. Within Plasmodium spp., the mitochondrial DNA (mtDNA) is only 6 kb long, being the smallest mitochondrial genome among all eukaryotes. The mtDNA encodes only three proteins of the mitochondrial electron transport chain and ~ 27 small, fragmented rRNA genes in length of 22-195 nucleotides. The rRNA fragments are thought to form a mitochondrial ribosome (mitoribosome), together with ribosomal proteins imported from the cytosol. The mitoribosome of Plasmodium falciparum has been shown to be essential for maintenance of the mitochondrial membrane potential and parasite viability. However, the role of mitoribosomes in sustaining the metabolic status of the parasite mitochondrion remains unknown. Here, among the 14 annotated mitoribosomal proteins of the small subunit of P. falciparum, we verified the localization and tested the essentiality of three candidates (PfmtRPS12, PfmtRPS17, PfmtRPS18), employing a CRISPR/Cas9 mediated conditional knockdown tool. Using immuno-electron microscopy, we provided evidence that the mitoribosome is closely associated with the mitochondrial inner membrane in the parasite. Upon knockdown of the mitoribosome, the parasites became hypersensitive to inhibitors targeting the bc1 complex, dihydroorotate dehydrogenase and F1Fo ATP synthase complex. Furthermore, knockdown of the mitoribosome blocked the pyrimidine biosynthesis pathway and reduced the pool of pyrimidine nucleotides. Together, our data suggest that disruption of the P. falciparum mitoribosome compromises the metabolic capability of the mitochondrion, rendering the parasite hypersensitive to a panel of inhibitors targeting mitochondrial functions.