Genomic approaches to tackle asymptomatic chronic malaria
Approches génomiques pour aborder la malaria chronique asymptomatique
Résumé
In The Gambia, malaria is seasonal with a succession of high and low transmission seasons resulting in roughly seven continuous months of almost no malaria transmission every year. Despite this apparent absence of malaria parasites for most of the time, The Gambia and neighbouring countries are hit by endless malaria waves recurring every year. First, little is known about the impact of constantly switching from high to low transmission seasons on the Plasmodium falciparum genetic diversity. As it is unlikely that imported cases are responsible for the totality of new reinfections at each high transmission season, human host are seemingly used by the parasite as a reservoir for the whole duration of the low transmission season. These long infections could be sustained by the parasites enhancing their antigenic repertoire through the generation of chimeric var genes during the course of an infection. To address these questions, we conducted a longitudinal study in four nearby villages in the Upper River Region of The Gambia from 2014 to 2017. Blood samples from 1505 participants over 16 time points were collected during both wet and dry seasons. In total, 436 Plasmodium falciparum positive samples from asymptomatic infections were successfully genotyped by 89 single nucleotide polymorphisms and 334 were whole genome sequenced. During the dry season in 2016/2017, 11 individuals had their chronic asymptomatic infection precisely followed monthly with some the blood samples single-cell sequenced just 36 hours after thawing or long-read sequenced after one month of culture adaptation. We used identity by descent (IBD), a pairwise comparison method to estimate the relationships between genotyped and sequenced isolates. Parasite samples collected within the same household were significantly more genetically related especially when distant by three months at most. Also, parasites isolated during the low transmission seasons were more related to the previous high transmission season than to the following one. We could estimate that most of the parasite diversity renewed after approximately one year. An interesting exception is a 9-year old individual who had been infected with the same parasite strain for at least one year and a half. Long-read assemblies of parasite clones yielded few chromosomal-long contigs that were annotated with the almost complete set of genes expected in Plasmodium falciparum, including the hypervariable family of var genes. Also, the single-cell sequencing performed well, as indicated by the IBD clusters of single-cell genomes effectively segregating parasite strains. According to our findings, low transmission seasons are a reservoir of parasites from asymptomatic infections that are waiting for the high transmission season to spread and recombine, hence renewing the genetic diversity at every high transmission season. Additionally, we provide a dense quantity of genomic data on individual infections, including brand new high quality var gene sequences that can be added to the existing databases. We argue that the active case detection is key to understand asymptomatic chronic infections, the invisible reservoir of malaria.
En Gambie, le paludisme est saisonnier avec une succession de saisons à forte et faible transmission résultant en à peu près sept mois sans transmission chaque année. Malgré cette apparente absence de parasites pendant la majorité du temps, la Gambie et les pays voisins sont touchés par des vagues de paludisme sans fin revenant chaque année. Premièrement, l'impact de l'alternance constante entre saisons à forte et faible transmission sur la diversité génétique de Plasmodium falciparum est mal connue. Puisqu'il est peu probable que les cas importés sont responsables de la totalité des nouvelles infections à chaque saison de forte transmission, les hôtes humains sont vraisemblablement utilisés par le parasite comme réservoir pendant la saison à faible transmission. Ces infections longues pourraient être maintenues par des parasites augmentant la taille de leur répertoire antigénique par la génération de gènes var chimères au cours dune infection. Pour répondre à ces questions, nous avons mené une étude longitudinale dans quatre villages de la Gambie entre 2014 et 2017. Les échantillons sanguins de 1505 participants ont été collectés pendant les saisons sèches et humides sur 16 échantillonnages. Au total, 436 échantillons positifs pour Plasmodium falciparum issus d'infections asymptomatiques ont été génotypés par 89 single nucléotide polymorphisms, et 334 ont été séquencés en génome entier avec succès. Pendant la saison sèche 2016/2017, 11 individus ont eu leur infection asymptomatique chronique précisément suivie mensuellement avec certains des échantillons sanguins séquencés en cellule unique 36 heures après décongélation ou séquencés en lectures longues un mois après adaptation à la culture. Nous avons utilisé l'identité par descendance (IBD), une méthode de comparaison pour estimer les liens de parenté entre les échantillons génotypés ou séquencés. Les parasites échantillonnés dans le même foyer étaient significativement plus liés génétiquement, plus particulièrement si obtenus à trois mois d'intervalle au plus. Aussi, les parasites isolés pendant les saisons à faible transmission étaient plus liés à la saison de forte transmission précédente que la suivante. Nous avons déterminé que la plupart de la diversité génétique du parasite était renouvelée après un an. Une exception concerne un individu de 9 ans qui a été infecté par la même souche de parasite pendant au moins un an et demi. Les assemblages en lecture longue des parasites clonés ont donné des larges contigs qui ont pu être annotés avec la quasi totalité des gènes attendus chez Plasmodium falciparum, dont la famille hyper variable des gènes var. De plus, le séquençage en cellule unique a été performant, comme indiqué par les clusters d'IBD des génomes des cellules uniques ségréguant efficacement entre les différentes souches parasitaires. D'après nos résultats, les saisons à faible transmission sont un réservoir de parasites d'infections asymptomatiques en attente de la saison à forte transmission pour se répandre et recombiner, renouvelant ainsi la diversité génétique à chaque saison de paludisme. Aussi, nous fournissons une quantité importante de données génomiques sur des infections, incluant de nouvelles séquences de gènes var de grande qualité. Nous défendons que la détection active de cas est capitale pour comprendre les infections chroniques asymptomatiques, le réservoir invisible du paludisme.
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