Recent reports of increased tolerance to artemisinin derivatives--the most recently adopted class of antimalarials--have prompted a need for new treatments. The spirotetrahydro-beta-carbolines, or spiroindolones, are potent drugs that kill the blood stages of Plasmodium falciparum and Plasmodium vivax clinical isolates at low nanomolar concentration. Spiroindolones rapidly inhibit protein synthesis in P. falciparum, an effect that is ablated in parasites bearing nonsynonymous mutations in the gene encoding the P-type cation-transporter ATPase4 (PfATP4). The optimized spiroindolone NITD609 shows pharmacokinetic properties compatible with once-daily oral dosing and has single-dose efficacy in a rodent malaria model.

The growing resistance to current first-line antimalarial drugs represents a major health challenge. To facilitate the discovery of new antimalarials, we have implemented an efficient and robust high-throughput cell-based screen (1,536-well format) based on proliferation of Plasmodium falciparum (Pf) in erythrocytes. From a screen of ≈1.7 million compounds, we identified a diverse collection of ≈6,000 small molecules comprised of >530 distinct scaffolds, all of which show potent antimalarial activity (<1.25 μM). Most known antimalarials were identified in this screen, thus validating our approach. In addition, we identified many novel chemical scaffolds, which likely act through both known and novel pathways. We further show that in some cases the mechanism of action of these antimalarials can be determined by in silico compound activity profiling. This method uses large datasets from unrelated cellular and biochemical screens and the guilt-by-association principle to predict which cellular pathway and/or protein target is being inhibited by select compounds. In addition, the screening method has the potential to provide the malaria community with many new starting points for the development of biological probes and drugs with novel antiparasitic activities.

The antiplasmodial activity of a series of spirotetrahydro β-carbolines is described. Racemic spiroazepineindole (1) was identified from a phenotypic screen on wild type Plasmodium falciparum with an in vitro IC50 of 90 nM. Structure−activity relationships for the optimization of 1 to compound 20a (IC50 = 0.2 nM) including the identification of the active 1R,3S enantiomer and elimination of metabolic liabilities is presented. Improvement of the pharmacokinetic profile of the series translated to exceptional oral efficacy in the P. berghei infected malaria mouse model where full cure was achieved in four of five mice with three daily doses of 30 mg/kg.

Achieving the goal of malaria elimination will depend on targeting Plasmodium pathways essential across all life stages. Here we identify a lipid kinase, phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K), as the target of imidazopyrazines, a new antimalarial compound class that inhibits the intracellular development of multiple Plasmodium species at each stage of infection in the vertebrate host. Imidazopyrazines demonstrate potent preventive, therapeutic, and transmission-blocking activity in rodent malaria models, are active against blood-stage field isolates of the major human pathogens P. falciparum and P. vivax, and inhibit liver-stage hypnozoites in the simian parasite P. cynomolgi. We show that imidazopyrazines exert their effect through inhibitory interaction with the ATP-binding pocket of PI(4)K, altering the intracellular distribution of phosphatidylinositol-4-phosphate. Collectively, our data define PI(4)K as a key Plasmodium vulnerability, opening up new avenues of target-based discovery to identify drugs with an ideal activity profile for the prevention, treatment and elimination of malaria. The lipid kinase phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K) is identified as a target of the imidazopyrazines, a new antimalarial compound class that can inhibit several Plasmodium species at each stage of the parasite life cycle; the imidazopyrazines exert their inhibitory action by interacting with the ATP-binding pocket of PI(4)K. To eliminate malaria completely it is necessary to cure an individual of all stages in the malaria parasite's life cycle including the symptomatic blood-stage infection and the preceding liver-stage infection (to prevent relapse) and also to block transmission to mosquitoes. Here Elizabeth Winzeler and colleagues identify phosphatidylinositol-4-OH kinase (PI(4)K) as a potential drug target that is essential to fatty acid metabolism in all stages of the Plasmodium parasite. The authors show that a family of compounds with an imidazopyrazine core, distinct from known antimalarials, inhibits PI(4)K and also inhibits the development of multiple Plasmodium species at each stage of the life cycle. Their analyses reveal that the imidazopyrazines interact with the ATP-binding pocket of PI(4)K, altering the intracellular distribution of phosphatidylinositol-4 phosphate and interfering with cell division.

We have developed a high-throughput genotyping platform by hybridizing genomic DNA from Arabidopsis thaliana accessions to an RNA expression GeneChip (AtGenome1). Using newly developed analytical tools, a large number of single-feature polymorphisms (SFPs) were identified. A comparison of two accessions, the reference strain Columbia (Col) and the strain Landsberg erecta (L er ), identified nearly 4000 SFPs, which could be reliably scored at a 5% error rate. L er sequence was used to confirm 117 of 121 SFPs and to determine the sensitivity of array hybridization. Features containing sequence repeats, as well as those from high copy genes, showed greater polymorphism rates. A linear clustering algorithm was developed to identify clusters of SFPs representing potential deletions in 111 genes at a 5% false discovery rate (FDR). Among the potential deletions were transposons, disease resistance genes, and genes involved in secondary metabolism. The applicability of this technique was demonstrated by genotyping a recombinant inbred line. Recombination break points could be clearly defined, and in one case delimited to an interval of 29 kb. We further demonstrate that array hybridization can be combined with bulk segregant analysis to quickly map mutations. The extension of these tools to organisms with complex genomes, such as Arabidopsis , will greatly increase our ability to map and clone quantitative trait loci (QTL). [Supplemental material is available online at www.genome.org .]

Michael Delves and colleagues compare the activity of 50 current and experimental antimalarials against liver, sexual blood, and mosquito stages of selected human and nonhuman parasite species, including Plasmodium falciparum, Plasmodium berghei, and Plasmodium yoelii.

Most malaria drug development focuses on parasite stages detected in red blood cells, even though, to achieve eradication, next-generation drugs active against both erythrocytic and exo-erythrocytic forms would be preferable. We applied a multifactorial approach to a set of >4000 commercially available compounds with previously demonstrated blood-stage activity (median inhibitory concentration < 1 micromolar) and identified chemical scaffolds with potent activity against both forms. From this screen, we identified an imidazolopiperazine scaffold series that was highly enriched among compounds active against Plasmodium liver stages. The orally bioavailable lead imidazolopiperazine confers complete causal prophylactic protection (15 milligrams/kilogram) in rodent models of malaria and shows potent in vivo blood-stage therapeutic activity. The open-source chemical tools resulting from our effort provide starting points for future drug discovery programs, as well as opportunities for researchers to investigate the biology of exo-erythrocytic forms.

Candidate antibacterials are usually identified on the basis of their in vitro activity. However, the apparent inhibitory activity of new leads can be misleading because most culture media do not reproduce an environment relevant to infection in vivo. In this study, while screening for novel anti-tuberculars, we uncovered how carbon metabolism can affect antimicrobial activity. Novel pyrimidine-imidazoles (PIs) were identified in a whole-cell screen against Mycobacterium tuberculosis. Lead optimization generated in vitro potent derivatives with desirable pharmacokinetic properties, yet without in vivo efficacy. Mechanism of action studies linked the PI activity to glycerol metabolism, which is not relevant for M. tuberculosis during infection. PIs induced self-poisoning of M. tuberculosis by promoting the accumulation of glycerol phosphate and rapid ATP depletion. This study underlines the importance of understanding central bacterial metabolism in vivo and of developing predictive in vitro culture conditions as a prerequisite for the rational discovery of new antibiotics.

With renewed calls for malaria eradication, next-generation antimalarials need be active against drug-resistant parasites and efficacious against both liver- and blood-stage infections. We screened a natural product library to identify inhibitors of Plasmodium falciparum blood- and liver-stage proliferation. Cladosporin, a fungal secondary metabolite whose target and mechanism of action are not known for any species, was identified as having potent, nanomolar, antiparasitic activity against both blood and liver stages. Using postgenomic methods, including a yeast deletion strains collection, we show that cladosporin specifically inhibits protein synthesis by directly targeting P. falciparum cytosolic lysyl-tRNA synthetase. Further, cladosporin is >100-fold more potent against parasite lysyl-tRNA synthetase relative to the human enzyme, which is conferred by the identity of two amino acids within the enzyme active site. Our data indicate that lysyl-tRNA synthetase is an attractive, druggable, antimalarial target that can be selectively inhibited.

Malaria parasites elude eradication attempts both within the human host and across nations. At the individual level, parasites evade the host immune responses through antigenic variation. At the global level, parasites escape drug pressure through single nucleotide variants and gene copy amplification events conferring drug resistance. Despite their importance to global health, the rates at which these genomic alterations emerge have not been determined. We studied the complete genomes of different Plasmodium falciparum clones that had been propagated asexually over one year in the presence and absence of drug pressure. A combination of whole-genome microarray analysis and next-generation deep resequencing (totaling 14 terabases) revealed a stable core genome with only 38 novel single nucleotide variants appearing in seventeen evolved clones (avg. 5.4 per clone). In clones exposed to atovaquone, we found cytochrome b mutations as well as an amplification event encompassing the P. falciparum multidrug resistance associated protein (mrp1) on chromosome 1. We observed 18 large-scale (>1 kb on average) deletions of telomere-proximal regions encoding multigene families, involved in immune evasion (9.5×10−6 structural variants per base pair per generation). Six of these deletions were associated with chromosomal crossovers generated during mitosis. We found only minor differences in rates between genetically distinct strains and between parasites cultured in the presence or absence of drug. Using these derived mutation rates for P. falciparum (1.0–9.7×10−9 mutations per base pair per generation), we can now model the frequency at which drug or immune resistance alleles will emerge under a well-defined set of assumptions. Further, the detection of mitotic recombination events in var gene families illustrates how multigene families can arise and change over time in P. falciparum. These results will help improve our understanding of how P. falciparum evolves to evade control efforts within both the individual hosts and large populations.