A Cas9/guide RNA-based gene drive strain, AgNosCd-1, was developed to deliver antiparasite effector molecules to the malaria vector mosquito, Anopheles gambiae The drive system targets the cardinal gene ortholog producing a red-eye phenotype. Drive can achieve 98 to 100% in both sexes and full introduction was observed in small cage trials within 6 to 10 generations following a single release of gene-drive males. No genetic load resulting from the integrated transgenes impaired drive performance in the trials. Potential drive-resistant target-site alleles arise at a frequency <0.1, and five of the most prevalent polymorphisms in the guide RNA target site in collections of colonized and wild-derived African mosquitoes do not prevent cleavage in vitro by the Cas9/guide RNA complex. Only one predicted off-target site is cleavable in vitro, with negligible deletions observed in vivo. AgNosCd-1 meets key performance criteria of a target product profile and can be a valuable component of a field-ready strain for mosquito population modification to control malaria transmission.

ABSTRACT Background Arthropod-borne viruses (arboviruses) transmitted by mosquito vectors cause many important emerging or resurging infectious diseases in humans including dengue, chikungunya and Zika. Understanding the co-evolutionary processes among viruses and vectors is essential for the development of novel transmission-blocking strategies. Arboviruses form episomal viral DNA fragments upon infection of mosquito cells and adults. Additionally, sequences from insect-specific viruses and arboviruses have been found integrated into mosquito genomes. Results We used a bioinformatic approach to analyze the presence, abundance, distribution, and transcriptional activity of integrations from 425 non-retroviral viruses, including 133 arboviruses, across the presently available 22 mosquito genome sequences. Large differences in abundance and types of viral integrations were observed in mosquito species from the same region. Viral integrations are unexpectedly abundant in the arboviral vector species Aedes aegypti and Ae. albopictus , but are ∼10-fold less abundant in all other mosquitoes analysed. Additionally, viral integrations are enriched in piRNA clusters of both the Ae. aegypti and Ae. albopictus genomes and, accordingly, they express piRNAs, but not siRNAs. Conclusions Differences in number of viral integrations in the genomes of mosquito species from the same geographic area support the conclusion that integrations of viral sequences is not dependent on viral exposure, but that lineage-specific interactions exits. Viral integrations are abundant in Ae. aegypti and Ae. albopictus , and represent a thus far unappreciated component of their genomes. Additionally, the genome locations of viral integrations and their production of piRNAs indicate a functional link between viral integrations and the piRNA pathway. These results greatly expand the breadth and complexity of small RNA-mediated regulation and suggest a role for viral integrations in antiviral defense in these two mosquito species.

Current knowledge of the piRNA pathway is based mainly on studies on the model organism Drosophila melanogaster, where three proteins of the Piwi subclade of the Argonaute family interact with PIWI-interacting RNAs to silence transposable elements in gonadal tissues. In mosquito species that transmit epidemic arboviruses such as the Dengue and Chikungunya viruses, Piwi clade genes underwent expansion, are also expressed in the soma, and code for proteins that may elicit antiviral functions and crosstalk with other proteins of recognized antiviral mechanisms. These observations underline the importance of expanding our knowledge of the piRNA pathway beyond D. melanogaster. Here we focus on the emerging arboviral vector Aedes albopictus and we couple traditional approaches of expression and adaptive evolution analyses with most current computational predictions of protein structure to study evolutionary divergence among Piwi clade proteins. Superposition of protein homology models indicate high structure similarity among all Piwi proteins, with high levels of amino acid conservation in the inner regions devoted to RNA binding. On the contrary, solvent-exposed surfaces showed low conservation, with several sites under positive selection. Expression profiles of Piwi transcripts during mosquito development and after infection with the Dengue 1 virus showed a concerted elicitation of all Piwi transcripts during viral dissemination, while the maintenance of infection primarily relied on the expression of Piwi5. In contrast, establishment of persistent infection by the Chikungunya virus is accompanied by an increased expression of all Piwi genes, particularly Piwi4 and, again, Piwi5. Overall these results are consistent with functional specialization and a general antiviral role for Piwi5. Experimental evidences of sites under positive selection in Piwi1/3, Piwi4 and Piwi6, further provide useful knowledge to design tailored functional experiments.

Abstract Background Domestication is a complex, multi-stage and species-specific process that results in organisms living close to humans. In the arboviral vector Aedes aegypti adaptation to living in proximity with anthropogenic environments has been recognized as a major evolutionary shift, separating a generalist form, Aedes aegypti formosus (Aaf), from the domestic form Aedes aegypti aegypti (Aaa), which tends to deposit eggs artificial containers and bite humans for a blood meal. These behaviors enhance the mosquito vectorial capacity. The extent to which domestication has impacted the Ae. aegypti genome has not been thoroughly investigated yet. Results Taking advantage of two forms’ distinct and historically documented geographic distributions, we analyzed the genomes of 634 worldwide Ae. aegypti mosquitoes. Using more than 300 million high-confidence SNPs, we found a unique origin for all out-of-Africa Ae. aegypti mosquitoes, with no evidence of admixture events in Africa, apart from Kenya. A group of genes were under positive selection only in out-of-Africa mosquitoes and 236 genes had nonsynonymous mutations, occurring at statistically different frequencies in Aaa and Aaf mosquitoes. Conclusion We identified a clear signal of genetic differentiation between Aaa and Aaf, circumscribed to a catalogue of candidate genes. These “ Aaa molecular signature ” genes extend beyond chemosensory genes to genes linked to neuronal and hormonal functions. This suggests that the behavioral shift to domestication may rely on the fine regulation of metabolic and neuronal functions, more than the role of a few significant genes. Our results also provide the foundation to investigate new targets for the control of Ae. aegypti populations.

Abstract Background Aedes albopictus is a public health threat for its worldwide spread and ability to transmit arboviruses. Understanding mechanisms of mosquito immunity can provide new tools to control arbovirus spread. The genomes of Aedes mosquitoes contain hundreads of nonretroviral endogenous viral elements (nrEVEs), which are enriched in piRNA clusters and produce piRNAs, with the potential to target cognate viruses. Recently, one nrEVE was shown to limit cognate viral infection through nrEVE-derived piRNAs. These findings suggest that nrEVEs constitute an archive of past viral infection and that the landscape of viral integrations may be variable across populations depending on their viral exposure. Methods We used bioinformatics and molecular approaches to identify known and novel (i.e. absent in the reference genome) viral integrations in the genome of wild collected Aedes albopictus mosquitoes and characterize their virome. Results We showed that the landscape of viral integrations is dynamic with seven novel viral integrations being characterised, but does not correlate with the virome, which includes both viral species known and unknown to infect mosquitoes. However, the small RNA coverage profile of nrEVEs and the viral genomic contigs we identified confimed an interaction among these elements and the piRNA and siRNA pathways in mosquitoes. Conclusions Mosquitoes nrEVEs have been recently descrived as a new form of heritable, sequence-specific mechanism of antiviral immunity. Our results contribute to understanding the dynamic distribution of nrEVEs in the genomes of wild Ae. albopictus and their interaction with mosquito viruses.

Abstract Background Novel technologies are needed to combat anopheline vectors of malaria parasites as the reductions in worldwide disease incidence has stalled in recent years. Gene drive-based approaches utilizing Cas9/guide RNA (gRNA) systems are being developed to suppress anopheline populations or modify them by increasing their refractoriness to the parasites. These systems rely on the successful cleavage of a chromosomal DNA target site followed by homology-directed repair (HDR) in germline cells to bias inheritance of the drive system. An optimal drive system should be highly efficient for HDR-mediated gene conversion with minimal error rates. A gene-drive system, AgNosCd-1, with these attributes has been developed in the Anopheles gambiae G3 strain and serves as a framework for further development of population modification strains. To validate AgNosCd-1 as a versatile platform, it must perform well in a variety of genetic backgrounds. Results We introduced or introgressed AgNosCd-1 into different genetic backgrounds, three in geographically-diverse Anopheles gambiae strains, and one each in an An. coluzzii and An. arabiensis strain. The overall drive inheritance, determined by presence of a dominant marker gene in the F2 hybrids, far exceeded Mendelian inheritance ratios in all genetic backgrounds that produced viable progeny. Haldane’s rule was confirmed for AgNosCd-1 introgression into the An. arabiensis Dongola strain and sterility of the F1 hybrid males prevented production of F2 hybrid offspring. Back-crosses of F1 hybrid females were not performed to keep the experimental design consistent across all the genetic backgrounds and to avoid maternally-generated mutant alleles that might confound the drive dynamics. DNA sequencing of the target site in F1 and F2 mosquitoes with exceptional phenotypes revealed drive system-generated mutations resulting from non-homologous end joining events (NHEJ), which formed at rates similar to AgNosCd-1 in the G3 genetic background and were generated via the same maternal-effect mechanism. Conclusions These findings support the conclusion that the AgNosCd-1 drive system is robust and has high drive inheritance and gene conversion efficiency accompanied by low NHEJ mutation rates in diverse An. gambiae s.l . laboratory strains.

In the model organism Drosophila melanogaster, the PIWI-interacing RNA pathway contributes in silencing transposable elements (TEs) through smallRNAs (piRNAs), which arise from genomic loci (piRNA clusters) that contain sequences of previously-acquired TEs. As such, they are a functionally-immune archive of previous TE invasions that is passed to the offspring. In the arboviral vector Aedes aegypti, piRNA clusters contain TEs and endogenous viral elements from nonretroviral RNA viruses (nrEVEs) which produce piRNAs, supporting the hypothesis that nrEVEs are heritable immunity effectors. However, direct evidence that nrEVEs mediate adaptive immunity is lacking. Here, by using an analytic approach intersecting population genomics with molecular biology we demonstrate that the composition of piRNA clusters is modular through acquisition and absence of nrEVEs. We show that the genomes of wild-caught mosquitoes have a different set of nrEVEs than those annotated in the reference genome, including population-specific integrations. nrEVEs are not distributed in mosquito genomes only by genetic drift, but some show signs of positive selection. Moreover, by comparing natural mosquito populations expressing or lacking two newly characterised nrEVEs with high sequence complementarity to cell fusing agent virus, we show that nrEVEs confer antiviral immunity in ovaries against the cognate virus. Our results confirm that some nrEVEs have been co-opted for adaptive immunity to viral infections.

The sequenced genome of the arboviral vector mosquito, Aedes albopictus, is replete with repetitive DNA and it harbors an unusually large number of endogenous viral sequences, collectively called Nonretroviral Integrated RNA Virus Sequences (NIRVS). NIRVS are enriched both within protein-coding gene exons and PIWI-interacting RNA (piRNA) clusters, where they encode piRNAs. Based on these features, NIRVS have been proposed to function as novel mosquito antiviral immune factors. However, the relative importance and contributions of different NIRVS as functional antiviral elements and their mechanisms of action remain open questions. We apply an analytical approach that intersects computational, evolutionary and molecular methods to identify NIRVS most likely affecting mosquito immunity. Using this strategy, we show that NIRVS are a highly dynamic component of the Ae. albopictus repeatome, which nevertheless maintains a core set of seemingly the oldest NIRVS with similarity to Rhabdoviruses. Population-level polymorphism of NIRVS varies depending on whether they occur in intergenic regions, piRNA clusters or are part of gene exons. NIRVS from piRNA clusters are differentially widespread in diverse populations but conserved at the sequence level. This is consistent with the hypothesis that they act analogously to fragments of transposable elements in piRNA clusters and contribute to piRNA-based immunity. Among NIRVS from gene exons, AlbRha52 and AlbRha12 have the hallmarks of domestication as they are fixed across populations, stably expressed, and as polymorphic at the sequence level as fast-evolving genes. Overall these results support the hypothesis that NIRVS contribute to mosquito immunity, potentially through diverse modes of action.