ABSTRACT Gene drives are engineered alleles that can bias inheritance in their favor, allowing them to spread throughout a population. They could potentially be used to modify or suppress pest populations, such as mosquitoes that spread diseases. CRISPR/Cas9 homing drives, which copy themselves by homology-directed repair in drive/wild-type heterozygotes, are a powerful form of gene drive, but they are vulnerable to resistance alleles that preserve the function of their target gene. Such resistance alleles can prevent successful population suppression. Here, we constructed a homing suppression drive in Drosophila melanogaster that utilized multiplexed gRNAs to inhibit the formation of functional resistance alleles in its female fertility target gene. The selected gRNA target sites were close together, preventing reduction in drive conversion efficiency. The construct reached a moderate equilibrium frequency in cage populations without apparent formation of resistance alleles. However, a moderate fitness cost prevented elimination of the cage population, showing the importance of using highly efficient drives in a suppression strategy, even if resistance can be addressed. Nevertheless, our results experimentally demonstrate the viability of the multiplexed gRNAs strategy in homing suppression gene drives.

ABSTRACT Homing gene drives hold great promise for the genetic control of natural populations. However, current homing systems are capable of spreading uncontrollably between populations connected by even marginal levels of migration. This could represent a substantial sociopolitical barrier to the testing or deployment of such drives and may generally be undesirable when the objective is only local population control, such as suppression of an invasive species outside of its native range. Tethered drive systems, in which a locally confined gene drive provides the CRISPR nuclease needed for a homing drive, could provide a solution to this problem, offering the power of a homing drive and confinement of the supporting drive. Here, we demonstrate the engineering of a tethered drive system in Drosophila , using a regionally confined CRISPR Toxin-Antidote Recessive Embryo (TARE) drive to support modification and suppression homing drives. Each drive was able to bias inheritance in its favor, and the TARE drive was shown to spread only when released above a threshold frequency in experimental cage populations. After the TARE drive had established in the population, it facilitated the spread of a subsequently released split homing modification drive (to all individuals in the cage) and of a homing suppression drive (to its equilibrium frequency). Our results show that the tethered drive strategy is a viable and easily engineered option for providing confinement of homing drives to target populations.

ABSTRACT Gene drives could allow for control of vector-borne diseases by directly suppressing vector populations or spreading genetic payloads designed to reduce pathogen transmission. CRISPR homing gene drives work by cleaving wild-type alleles, which are then converted to drive alleles by homology-directed repair, increasing the frequency of the drive in a population. However, resistance alleles can form when end-joining repair takes place in lieu of homology-directed repair. Such alleles cannot be converted to drive alleles, which would halt the spread of a drive through a population. To investigate the effects of natural genetic variation on resistance formation, we developed a CRISPR homing gene drive in Drosophila melanogaster and crossed it into the genetically diverse Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP) lines, measuring several performance parameters. Most strikingly, resistance allele formation post-fertilization in the early embryo ranged from 7% to 79% among lines and averaged 42±18%. We performed a Genome-Wide Association Study (GWAS) using our results in the DGRP lines and found that the resistance and conversion rates were polygenic, with several genetic polymorphisms showing relatively weak association. RNAi knockdown of several of these genes confirmed their effect, but their small effect sizes implies that their manipulation will yield only modest improvements to the efficacy of gene drives.

Abstract Gene drive systems could be a viable strategy to prevent pathogen transmission or suppress vector populations by propagating drive alleles with super-Mendelian inheritance. CRISPR-based homing gene drives convert wild type alleles into drive alleles in heterozygotes with Cas9 and gRNA. It is thus desirable to identify Cas9 promoters that yield high drive conversion rates, minimize the formation rate of resistance alleles in both the germline and the early embryo, and limit somatic Cas9 expression. In Drosophila , the nanos promoter avoids leaky somatic expression, but at the cost of high embryo resistance from maternally deposited Cas9. To improve drive efficiency, we test eleven Drosophila melanogaster germline promoters. Some achieve higher drive conversion efficiency with minimal embryo resistance, but none completely avoid somatic expression. However, such somatic expression often does not carry detectable fitness costs for a rescue homing drive targeting a haplolethal gene, suggesting somatic drive conversion. Supporting a 4-gRNA suppression drive, one promoter leads to a low drive equilibrium frequency due to fitness costs from somatic expression, but the other outperforms nanos , resulting in successful suppression of the cage population. Overall, these Cas9 promoters hold advantages for homing drives in Drosophila species and may possess valuable homologs in other organisms.

ABSTRACT CRISPR-based gene drives have sparked both enthusiasm and deep concerns due to their potential for genetically altering entire species. This raises the question about our ability to prevent the unintended spread of such drives from the laboratory into a natural population. Here, we experimentally demonstrate the suitability of synthetic target sites and split drives as flexible safeguarding strategies for gene drive experiments.

Engineered gene drives are being explored as a potential strategy for the control of vector-borne diseases due to their ability to rapidly spread genetic modifications through a population. While an effective CRISPR homing gene drive for population suppression has recently been demonstrated in mosquitoes, formation of resistance alleles that prevent Cas9 cleavage remains the major obstacle for drive strategies aiming at population modification, rather than elimination. Here, we present a homing drive in Drosophila melanogaster that reduces resistance allele formation below detectable levels by targeting a haplolethal gene with two gRNAs while also providing a rescue allele. This is because any resistance alleles that form by end-joining repair will typically disrupt the haplolethal target gene, rendering the individuals carrying them nonviable. We demonstrate that our drive is highly efficient, with 91% of the progeny of drive heterozygotes inheriting the drive allele and with no resistance alleles observed in the remainder. In a large cage experiment, the drive allele successfully spread to all individuals. These results show that a haplolethal homing drive can be a highly effective tool for population modification.

Engineered gene drives have been suggested as a mechanism for rapidly spreading genetic alterations through a population. One promising type of drive is the CRISPR homing drive, which has recently been demonstrated in several organisms. However, such drives face a major obstacle in the form of resistance against the drive that typically evolves rapidly. In addition, homing-type drives are generally self-sustaining, meaning that a drive would likely spread to all individuals of a species even when introduced at low frequency in a single location. Here, we develop a new form of CRISPR gene drive, the Toxin-Antidote Recessive Embryo (TARE) drive, which successfully limits resistance by targeting a recessive lethal gene while providing a recoded sequence to rescue only drive-carrying individuals. Our computational modeling shows that such a drive will have threshold-dependent dynamics, spreading only when introduced above a frequency threshold that depends on the fitness cost of the drive. We demonstrate such a drive in Drosophila with 88-95% transmission to the progeny of female drive heterozygotes. This drive was able to spread through a large cage population in just six generations following introduction at 24% frequency without any apparent evolution of resistance. Our results suggest that TARE drives constitute promising candidates for the development of effective, regionally confined population modification drives.

To explore the therapeutic effects along with the molecular mechanisms of epigallocatechin gallate (EGCG) in non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) treatment using network pharmacology as well as animal experiments. Firstly, the Traditional Chinese Medicine (TCM) Systems Pharmacology Database was searched to identify the potential targets of EGCG. The DisGeNET Database was used to screen the potential targets of NAFLD. The GeneCards Database was searched to identify related genes involved in pyroptosis. Subsequently, the intersecting genes of EGCG targeting pyroptosis to regulate NAFLD were obtained using a Venn diagram. Simultaneously, the aforementioned intersecting genes were used to construct a drug-disease target protein-protein interaction (PPI) network. The DAVID database was adopted for Gene Ontology (GO) as well as Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) analyses. The main pathway-target network was determined. Next, the potential mechanism of EGCG targeting pyroptosis to regulate NAFLD was investigated and validated through in vivo experiments. 626 potential targets of EGCG, 447 target genes of NAFLD, and 568 potential targets of pyroptosis were identified. The number of common targets between EGCG, NAFLD, and pyroptosis was 266. GO biological process items and 92 KEGG pathways were determined based on the analysis results. Animal experiments demonstrated that EGCG could ameliorate body weight, glucolipid metabolism, steatosis, and liver injury, enhance insulin sensitivity, and improve glucose tolerance in NAFLD mice through the classical pathway of pyroptosis. EGCG could effectively treat NAFLD through multiple targets and pathways. It was concluded that EGCG ameliorates hepatocyte steatosis, pyroptosis, dyslipidemia, and inflammation in NAFLD mice fed a high-fat diet (HFD), and the protective mechanism could be associated with the NLRP3-Caspase-1-GSDMD classical pyroptosis pathway.

Abstract Gene drive systems could be a viable strategy to prevent pathogen transmission or suppress vector populations by propagating drive alleles with super-Mendelian inheritance. CRISPR-based homing gene drives, perhaps the most powerful gene drive strategy, convert wild type alleles into drive alleles in heterozygotes with the help of Cas9 and gRNA. However, achieving successful outcomes with these drives often requires high performance. Specifically, it is desirable to identify Cas9 promoters that yield high drive conversion rates, minimize the formation rate of resistance alleles in both the germline and the early embryo, and limit somatic Cas9 expression. Thus far, high-performance promoters have only been discovered in Anopheles species. In Drosophila , the nanos promoter avoids leaky somatic expression, but at the cost of high embryo resistance from maternally deposited Cas9. To improve drive efficiency, we tested eleven Drosophila melanogaster germline promoters in several configurations. Some of the new promoters achieved higher drive conversion efficiency with minimal embryo resistance, but none could completely avoid somatic expression like nanos . However, such somatic expression often did not carry detectable fitness costs when the promoter-Cas9 elements supported a rescue homing drive targeting a haplolethal gene, suggesting somatic drive conversion. Based on our findings, we selected two Cas9 promoter lines for cage experiments with a 4-gRNA suppression drive. While one promoter exhibited substantial somatic effects, leading to a low drive equilibrium frequency, the other outperformed nanos , resulting in the successful suppression of the cage population. Overall, these novel Cas9 promoters hold potential advantages for homing drives in Drosophila species and may also possess valuable homologs in other organisms.