Development of a CRISPR/Cas9-based gene drive system in Anopheles gambiae, the main vector for the malaria parasite, paves the way for control of this pest insect. Gene drive systems that enable super-Mendelian inheritance of a transgene have the potential to modify insect populations over a timeframe of a few years. We describe CRISPR-Cas9 endonuclease constructs that function as gene drive systems in Anopheles gambiae, the main vector for malaria. We identified three genes (AGAP005958, AGAP011377 and AGAP007280) that confer a recessive female-sterility phenotype upon disruption, and inserted into each locus CRISPR-Cas9 gene drive constructs designed to target and edit each gene. For each targeted locus we observed a strong gene drive at the molecular level, with transmission rates to progeny of 91.4 to 99.6%. Population modeling and cage experiments indicate that a CRISPR-Cas9 construct targeting one of these loci, AGAP007280, meets the minimum requirement for a gene drive targeting female reproduction in an insect population. These findings could expedite the development of gene drives to suppress mosquito populations to levels that do not support malaria transmission.

Complete population collapse of malaria vector Anopheles gambiae in cages is achieved using a gene drive that targets doublesex. In the human malaria vector Anopheles gambiae, the gene doublesex (Agdsx) encodes two alternatively spliced transcripts, dsx-female (AgdsxF) and dsx-male (AgdsxM), that control differentiation of the two sexes. The female transcript, unlike the male, contains an exon (exon 5) whose sequence is highly conserved in all Anopheles mosquitoes so far analyzed. We found that CRISPR–Cas9-targeted disruption of the intron 4–exon 5 boundary aimed at blocking the formation of functional AgdsxF did not affect male development or fertility, whereas females homozygous for the disrupted allele showed an intersex phenotype and complete sterility. A CRISPR–Cas9 gene drive construct targeting this same sequence spread rapidly in caged mosquitoes, reaching 100% prevalence within 7–11 generations while progressively reducing egg production to the point of total population collapse. Owing to functional constraint of the target sequence, no selection of alleles resistant to the gene drive occurred in these laboratory experiments. Cas9-resistant variants arose in each generation at the target site but did not block the spread of the drive.

Gene drives have enormous potential for the control of insect populations of medical and agricultural relevance. By preferentially biasing their own inheritance, gene drives can rapidly introduce genetic traits even if these confer a negative fitness effect on the population. We have recently developed gene drives based on CRISPR nuclease constructs that are designed to disrupt key genes essential for female fertility in the malaria mosquito. The construct copies itself and the associated genetic disruption from one homologous chromosome to another during gamete formation, a process called homing that ensures the majority of offspring inherit the drive. Such drives have the potential to cause long-lasting, sustainable population suppression, though they are also expected to impose a large selection pressure for resistance in the mosquito. One of these population suppression gene drives showed rapid invasion of a caged population over 4 generations, establishing proof of principle for this technology. In order to assess the potential for the emergence of resistance to the gene drive in this population we allowed it to run for 25 generations and monitored the frequency of the gene drive over time. Following the initial increase of the gene drive we observed a gradual decrease in its frequency that was accompanied by the spread of small, nuclease-induced mutations at the target gene that are resistant to further cleavage and restore its functionality. Such mutations showed rates of increase consistent with positive selection in the face of the gene drive. Our findings represent the first documented example of selection for resistance to a synthetic gene drive and lead to important design recommendations and considerations in order to mitigate for resistance in future gene drive applications.

Abstract Only female insects transmit diseases such as malaria, dengue and Zika; therefore, control methods that bias the sex ratio of insect offspring have long been sought. Genetic elements such as sex-chromosome drives can distort sex ratios to produce unisex populations that eventually collapse, but the underlying molecular mechanisms are unknown. We report a male-biased sex-distorter gene drive (SDGD) in the human malaria vector Anopheles gambiae . We induced super-Mendelian inheritance of the X-chromosome-shredding I-PpoI nuclease by coupling this to a CRISPR-based gene drive inserted into a conserved sequence of the doublesex ( dsx ) gene. In modeling of invasion dynamics, SDGD was predicted to have a quicker impact on female mosquito populations than previously developed gene drives targeting female fertility. The SDGD at the dsx locus led to a male-only population from a 2.5% starting allelic frequency in 10–14 generations, with population collapse and no selection for resistance. Our results support the use of SDGD for malaria vector control.

Abstract Genetic control aims to reduce the ability of insect pest populations to cause harm via the release of modified insects. One strategy is to bias the reproductive sex ratio towards males so that a population decreases in size or is eliminated altogether due to a lack of females. We have shown previously that sex ratio distortion can be generated synthetically in the main human malaria vector Anopheles gambiae , by selectively destroying the X-chromosome during spermatogenesis, through the activity of a naturally-occurring endonuclease that targets a repetitive rDNA sequence highly-conserved in a wide range of organisms. Here we describe a CRISPR-Cas9 sex distortion system that targets ribosomal sequences restricted to the member species of the Anopheles gambiae complex. Expression of Cas9 during spermatogenesis resulted in RNA-guided shredding of the X-chromosome during male meiosis and produced extreme male bias among progeny in the absence of any significant reduction in fertility. The flexibility of CRISPR-Cas9 combined with the availability of genomic data for a range of insects renders this strategy broadly applicable for the species-specific control of any pest or vector species with an XY sex-determination system by targeting sequences exclusive to the female sex chromosome.

Abstract CRISPR-based homing gene drives can be designed to disrupt essential genes whilst biasing their own inheritance, leading to suppression of mosquito populations in the laboratory. This class of gene drives relies on CRISPR-Cas9 cleavage of a target sequence and copying (‘homing’) therein of the gene drive element from the homologous chromosome. However, target site mutations that are resistant to cleavage yet maintain the function of the essential gene are expected to be strongly selected for. Targeting functionally constrained regions where mutations are not easily tolerated should lower the probability of resistance. Evolutionary conservation at the sequence level is often a reliable indicator of functional constraint, though the actual level of underlying constraint between one conserved sequence and another can vary widely. Here we generated a novel gene drive in the malaria vector Anopheles gambiae , targeting an ultra-conserved target site in a haplosufficient essential gene (AGAP029113) required during mosquito development, which fulfils many of the criteria for the target of a population suppression gene drive. We then designed a selection regime to experimentally assess the likelihood of generation and subsequent selection of gene drive resistant mutations at its target site. We simulated, in a caged population, a scenario where the gene drive was approaching fixation, where selection for resistance is expected to be strongest. Continuous sampling of the target locus revealed that a single, restorative, in-frame nucleotide substitution was selected. Our findings show that ultra-conservation alone need not be predictive of a site that is refractory to target site resistance. Our strategy to evaluate resistance in vivo could help to validate candidate gene drive targets for their resilience to resistance and help to improve predictions of the invasion dynamics of gene drives in field populations. Author summary Gene drives have the potential to be applied as novel control strategy of disease-transmitting mosquitoes, by spreading genetic traits that suppress or modify the target population. Many gene drive elements work by recognising and cutting a specific target sequence in the mosquito genome and copying themselves into that target sequence allowing the gene drive to increase in frequency in the population. Like other mosquito control interventions, efficacy will greatly depend on minimising the development of resistance to the gene drive mechanism - most likely via a change in the target sequence that prevents further cutting. One strategy to reduce resistance is to target sequences that are highly conserved, which implies that changes cannot easily be tolerated. We developed a strategy that simulates high selection pressure, under which resistance is most likely to emerge, and therefore provides a stringent test of its propensity to arise. Unlike previous results with another gene drive, we recovered a resistant allele within a few generations of gene drive exposure and at high frequency. Our results show that conserved sequences can vary hugely in ability to tolerate mutations and highlights the need to functionally validate future candidate gene drive target sites for their robustness to resistance.

Gene drives have enormous potential for the control of insect populations of medical and agricultural relevance. By preferentially biasing their own inheritance gene drives can rapidly introduce genetic traits even if these confer a negative fitness on the population. We have recently developed gene drives based on a CRISPR nuclease construct that is designed to disrupt key genes essential for female fertility in the malaria mosquito. The construct copies itself and the associated genetic disruption from one homologous chromosome to another during gamete formation, in a process called homing that ensures the majority of offspring inherit the drive. Such drives have the potential to cause long-lasting, sustainable population suppression though they are also expected to impose a large selection pressure for resistance in the mosquito. One of these population suppression gene drives showed rapid invasion of a caged population over 4 generations, establishing proof of principle for this technology. In order to assess the potential for the emergence of resistance to the gene drive in this population we allowed it to run for 25 generations and monitored the frequency of the gene drive over time. Following the initial increase of the gene drive we noticed a gradual decrease in its frequency that was accompanied emergence of small, nuclease-induced mutations at the target gene that are resistant to further cleavage and restore its functionality. Such mutations show rates of increase consistent with positive selection in the face of the gene drive. Our findings represent the first documented example of selection for resistance to a synthetic gene drive and lead to important design recommendations and considerations in order to mitigate for resistance for future gene drive applications.

Summary The African malaria mosquito Anopheles gambiae exhibits a strong innate sensory drive to seek out human scent. To detect human odorants, An. gambiae uses olfactory sensory neurons (OSNs) that can be divided into different classes by unique repertoires of chemoreceptor gene expression. We applied CRISPR-Cas9-mediated T2A-In Frame Fusions and the QF2/QUAS system to gain genetic access to specific OSN subsets in An. gambiae expressing the chemoreceptor genes Ir25a , Ir76b , Gr22 and orco . We first optimized methods to generate cell-type specific QF2 driver and QUAS responder lines to map expression patterns of these chemoreceptors across mosquito sensory appendages. We next applied transcuticular calcium imaging to record neurophysiological responses to select human-related odorants for each OSN class. This neurogenetic toolkit tiling OSN subsets in An. gambiae , including those responsive to CO 2 , stands to support systematic efforts to decode olfaction in this prolific disease vector at high-resolution to combat malaria.

CRISPR-Cas9 nuclease-based gene drives rely on inducing chromosomal breaks in the germline that are repaired in ways that lead to a biased inheritance of the drive. Gene drives designed to impair female fertility can suppress populations of the mosquito vector of malaria. However, strong unintended fitness costs, due to ectopic nuclease expression, and high levels of resistant mutations, limited the potential of the first generation of gene drives to spread.Here we show that changes to regulatory sequences in the drive element, designed to contain nuclease expression to the germline, confer improved fecundity over previous versions and generate drastically lower rates of target site resistance. We employed a genetic screen to show that this effect is explained by reduced rates of end-joining repair of DNA breaks at the target site caused by deposited nuclease in the embryo.Highlighting the impact of deposited Cas9, many of the mutations arising from this source of nuclease activity in the embryo are heritable, thereby having the potential to generate resistant target sites that reduce the penetrance of the gene drive.Finally, in cage invasion experiments these gene drives show improved invasion dynamics compared to first generation drives, resulting in greater than 90% suppression of the reproductive output and a delay in the emergence of target site resistance, even at a resistance-prone target sequence. We shed light on the dynamics of generation and selection of resistant alleles in a population by tracking, longitudinally, the frequency of resistant alleles in the face of an invading gene drive. Our results illustrate important considerations for future gene drive design and should expedite the development of gene drives robust to resistance.

Y chromosome function, structure and evolution is poorly understood in many species including the Anopheles genus of mosquitoes, an emerging model system for studying speciation that also represents the major vectors of malaria. While the Anopheline Y had previously been implicated in male mating behavior, recent data from the Anopheles gambiae complex suggests that, apart from the putative primary sex-determiner, no other genes are conserved on the Y. Studying the functional basis of the evolutionary divergence of the Y chromosome in the gambiae complex is complicated by complete F1 male hybrid sterility. Here we used an F1xF0 crossing scheme to overcome a severe bottleneck of male hybrid incompatibilities and enabled us to experimentally purify a genetically labelled A. gambiae Y chromosome in an A. arabiensis background. Whole genome sequencing confirmed that the A. gambiae Y retained its original sequence content in the A. arabiensis genomic background. In contrast to comparable experiments in Drosophila, we find that the presence of a heterospecific Y chromosome has no significant effect on the expression of A. arabiensis genes and transcriptional differences can be explained almost exclusively as a direct consequence of transcripts arising from sequence elements present on the A. gambiae Y chromosome itself. We find that Y hybrids show no obvious fertility defects and no substantial reduction in male competitiveness. Our results demonstrate that, despite their radically different structure, Y chromosomes of these two species of the gambiae complex that diverged an estimated 1.85Myr ago function interchangeably, thus indicating that the Y chromosome does not harbor loci contributing to hybrid incompatibility. Therefore, Y chromosome gene flow between members of the gambiae complex is possible even at their current level of divergence. Importantly, this also suggests that malaria control interventions based on sex-distorting Y drive would be transferable, whether intentionally or contingent, between the major malaria vector species.