The complex life cycle of the malaria parasite Plasmodium falciparum (Pf) with its multifaceted morphological stages is accompanied by a high transcriptional variation. The orchestrated gene expression program is only explained in part by stage-specific transcription factors like the ApiAP2 family, as these factors are strongly under-represented in Pf. Global and local changes in chromatin structure during life cycle progression suggest the contribution of epigenetic mechanisms as a critical mechanism for fine-tuning gene regulation during malaria parasite development. The organization of genomic DNA in chromatin, which is relatively conserved across eukaryotes, exhibits remarkable differences in Pf, likely to accommodate the highly A/T-rich genome with > 90 % AT content in non-coding regions.
Chromatin remodeling enzymes (CREs) – responsible for re-positioning and eviction of nucleosomes at specific loci – are strongly reduced in number and highly divergent comparing Pf to other eukaryotes. We characterized the function of PfSnf2L (PF3D7_1104200), an ISWI-related CRE, by combining in vitro approaches, conditional knockout studies in vivo and specific drug targeting. We found PfSnf2L to be essential for parasite development in blood stages and to globally control just-in-time transcription regulation. Analyzing the enzymatic activity and its autoregulatory mechanism in vitro revealed qualitative and quantitative differences to known ISWI enzymes. In vivo mapping of the chromatin landscape showed that PfSnf2L shapes the promoter architecture of stage- specific genes through its nucleosome remodeling activity, thereby regulating the timing of gene activation and repression. The unique properties of the Plasmodium Snf2L allowed us to set up a customized drug screen specifically targeting the activity of the remodeling enzyme. The screen identified a potent inhibitor that specifically kills the parasite, phenocopies gene expression defects of PfSnf2L-KO, and inhibits the formation of sexual stages.
The findings of this study provide new insights in the complex epigenetic gene regulation of the parasite and highlight the crucial role of PfSnf2L - and CREs in general - in shaping and maintaining the unique nucleosomal landscape in Plasmodium falciparum. Furthermore, with their functional divergence, plasmodial CREs represent a potential target for new antimalarial drugs that will be required in view of emerging resistant parasite strains.

Der komplexe Lebenszyklus des Malariaparasiten Plasmodium falciparum (Pf) mit seinen vielfältigen morphologischen Stadien geht einher mit einer hohen transkriptionellen Variation. Das orchestrierte Genexpressionsprogramm lässt sich nur zum Teil durch stadienspezifische Transkriptionsfaktoren wie die ApiAP2-Familie erklären, da diese Faktoren bei Pf stark unterrepräsentiert sind. Globale und lokale Veränderungen der Chromatinstruktur während des Lebenszyklus legen nahe, dass epigenetische Mechanismen einen entscheidenden Beitrag zur Feinabstimmung der Genregulation während der Entwicklung des Malariaparasiten leisten. Die Organisation der genomischen DNA im Chromatin, die bei Eukaryonten relativ konserviert ist, weist bei Pf bemerkenswerte Unterschiede auf, die wahrscheinlich auf das sehr A/T-reiche Genom mit einem AT-Gehalt von mehr als 90 % in den nicht codierenden Regionen zurückzuführen sind.
Chromatin-Remodeling-Enzyme (CREs), die für die Neupositionierung und den Abbau von Nukleosomen an bestimmten Orten verantwortlich sind, sind in Pf im Vergleich zu anderen Eukaryonten zahlenmäßig stark reduziert und stark divergent. Wir haben die Funktion von PfSnf2L (PF3D7_1104200), einer ISWI-verwandten CRE, durch eine Kombination von In-vitro-Ansätzen, konditionalen Knockout-Studien in vivo und spezifischem Wirkstoff-Targeting charakterisiert. Wir fanden heraus, dass PfSnf2L für die Entwicklung des Parasiten in den Blutstadien essentiell ist und die Just-in-Time-Transkriptionsregulation global steuert. Die Analyse der enzymatischen Aktivität und ihres autoregulatorischen Mechanismus in vitro ergab qualitative und quantitative Unterschiede zu bekannten ISWI-Enzymen. In-vivo-Kartierungen der Chromatinlandschaft zeigten, dass PfSnf2L durch seine Nukleosome-Remodeling-Aktivität die Promotorarchitektur stadienspezifischer Gene gestaltet und damit den Zeitpunkt der Genaktivierung und -repression reguliert. Die einzigartigen Eigenschaften von Plasmodium Snf2L ermöglichten es uns, ein maßgeschneidertes Wirkstoffscreening durchzuführen, das speziell auf die Aktivität des Remodeling-Enzyms abzielt. Das Screening lieferte einen potenten Inhibitor, der den Parasiten spezifisch abtötet, die Genexpressionsdefekte von PfSnf2L-KO phänokopiert und die Bildung von Sexualstadien hemmt.
Die Ergebnisse dieser Studie bieten neue Einblicke in die komplexe epigenetische Genregulation des Parasiten und unterstreichen die entscheidende Rolle von PfSnf2L - und CREs im Allgemeinen - bei der Gestaltung und Aufrechterhaltung der einzigartigen Nukleosomenlandschaft in Plasmodium falciparum. Darüber hinaus stellen plasmodiale CREs aufgrund ihrer funktionellen Divergenz ein potenzielles Ziel für neue Malariamedikamente dar, die angesichts der aufkommenden resistenten Parasitenstämme benötigt werden.