If they are able to spread in wild populations, CRISPR-based gene-drive elements would provide new ways to address ecological problems by altering the traits of wild organisms, but the potential for uncontrolled spread tremendously complicates ethical development and use. Here, we detail a self-exhausting form of CRISPR-based drive system comprising genetic elements arranged in a daisy chain such that each drives the next. “Daisy-drive” systems can locally duplicate any effect achievable by using an equivalent self-propagating drive system, but their capacity to spread is limited by the successive loss of nondriving elements from one end of the chain. Releasing daisy-drive organisms constituting a small fraction of the local wild population can drive a useful genetic element nearly to local fixation for a wide range of fitness parameters without self-propagating spread. We additionally report numerous highly active guide RNA sequences sharing minimal homology that may enable evolutionarily stable daisy drive as well as self-propagating CRISPR-based gene drive. Especially when combined with threshold dependence, daisy drives could simplify decision-making and promote ethical use by enabling local communities to decide whether, when, and how to alter local ecosystems.

The alteration of wild populations has been discussed as a solution to a number of humanity's most pressing ecological and public health concerns. Enabled by the recent revolution in genome editing, clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) gene drives-selfish genetic elements that can spread through populations even if they confer no advantage to their host organism-are rapidly emerging as the most promising approach. However, before real-world applications are considered, it is imperative to develop a clear understanding of the outcomes of drive release in nature. Toward this aim, we mathematically study the evolutionary dynamics of CRISPR gene drives. We demonstrate that the emergence of drive-resistant alleles presents a major challenge to previously reported constructs, and we show that an alternative design that selects against resistant alleles could greatly improve evolutionary stability. We discuss all results in the context of CRISPR technology and provide insights that inform the engineering of practical gene drive systems.

Abstract RNA-guided gene drive elements could address many ecological problems by altering the traits of wild organisms, but the likelihood of global spread tremendously complicates ethical development and use. Here we detail a localized form of CRISPR-based gene drive composed of genetic elements arranged in a daisy-chain such that each element drives the next. “Daisy drive” systems can duplicate any effect achievable using an equivalent global drive system, but their capacity to spread is limited by the successive loss of non-driving elements from the base of the chain. Releasing daisy drive organisms constituting a small fraction of the local wild population can drive a useful genetic element to local fixation for a wide range of fitness parameters without resulting in global spread. We additionally report numerous highly active guide RNA sequences sharing minimal homology that may enable evolutionary stable daisy drive as well as global CRISPR-based gene drive. Daisy drives could simplify decision-making and promote ethical use by enabling local communities to decide whether, when, and how to alter local ecosystems. Author’s Summary ‘Global’ gene drive systems based on CRISPR are likely to spread to every population of the target species, hampering safe and ethical use. ‘Daisy drive’ systems offer a way to alter the traits of only local populations in a temporary manner. Because they can exactly duplicate the activity of any global CRISPR-based drive at a local level, daisy drives may enable safe field trials and empower local communities to make decisions concerning their own shared environments. For more details and an animation intended for a general audience, see the summary at Sculpting Evolution .

Abstract The alteration of wild populations has been discussed as a solution to a number of humanity’s most pressing ecological and public health concerns. Enabled by the recent revolution in genome editing, CRISPR gene drives, selfish genetic elements which can spread through populations even if they confer no advantage to their host organism, are rapidly emerging as the most promising approach. But before real-world applications are considered, it is imperative to develop a clear understanding of the outcomes of drive release in nature. Toward this aim, we mathematically study the evolutionary dynamics of CRISPR gene drives. We demonstrate that the emergence of drive-resistant alleles presents a major challenge to previously reported constructs, and we show that an alternative design which selects against resistant alleles greatly improves evolutionary stability. We discuss all results in the context of CRISPR technology and provide insights which inform the engineering of practical gene drive systems.

A trademark of eusocial insect species is reproductive division of labor, in which workers forego their own reproduction while the queen produces almost all offspring. The presence of the queen is key for maintaining social harmony, but the specific role of the queen in the evolution of eusociality remains unclear. A long-discussed scenario is that a queen either behaviorally or chemically sterilizes her workers. However, the demographic and ecological conditions that enable such manipulation are unknown. Accordingly, we propose a simple model of evolutionary dynamics that is based on haplodiploid genetics. We consider a mutation that acts in a queen, causing her to control the reproductive behavior of her workers. Our mathematical analysis yields precise conditions for the evolutionary emergence and stability of queen-induced worker sterility. These conditions do not depend on the queen's mating frequency. Moreover, we find that queen control is always established if it increases colony reproductive efficiency and can evolve even if it decreases colony efficiency. We further outline the conditions under which queen control is evolutionarily stable against invasion by mutant, reproductive workers.

The evolution of multicellularity was a major transition in the history of life on earth. Conditions under which multicellularity is favored have been studied theoretically and experimentally. But since the construction of a multicellular organism requires multiple rounds of cell division, a natural question is whether these cell divisions should be synchronous or not. We study a simple population model in which there compete simple multicellular organisms that grow either by synchronous or asynchronous cell divisions. We demonstrate that natural selection can act differently on synchronous and asynchronous cell division, and we offer intuition for why these phenotypes are generally not neutral variants of each other.