Abstract The use of essential oils derived from the camphor tree to repel mosquitoes is an ancient practice that originated in Southeast Asia and gradually spread to China and across Europe via the Maritime Silk Road. The olfactory mechanisms by which these oils elicit avoidance behavior are unclear. Here we show that plant bicyclic monoterpenoids and borneol specifically activate a neural pathway that originates in the orphan olfactory receptor neuron of the capitate peg sensillum in the maxillary palp, and projects to the mediodorsal glomerulus 3 in the antennal lobe. This neuron co-locates with two olfactory receptor neurons tuned to carbon dioxide and octenol that mediate human-host detection. We also confirm that borneol elicits repellency against human-seeking female mosquitoes. Understanding the functional role of the mosquito maxillary palp is essential to investigating olfactory signal integration and host-selection behavior.

Abstract Host factors mediating Leishmania genetic exchange are not well defined. Here, we demonstrate that IgM antibodies, but not IgG or IgA, facilitate parasite genetic hybridization in vitro and in vivo. IgM induces the gradual and transient formation of a structured Leishmania clump that releases viable parasites in a process essential for L. major and L. tropica hybridization in vitro. Parasite hybrids and 3-nucleated parasites were observed inside this structure, named the Leishmania mating clump. IgM was also required for or significantly increased Leishmania hybrid formation in vivo. At minimum, we observed a 12-fold increase in the proportion of hybrids recovered from sand flies provided a second blood meal containing IgM compared to controls. Notably, genetic backcross events in sand flies were only observed in the presence of IgM, and were reproducibly recovered, reinforcing the relevance of IgM for Leishmania genetic exchange in vivo. The in vitro and in vivo Leishmania crosses reported here resulted in full genome hybrids with comparable recombination structures that arose by fusion of the two parental lines. Leishmania co-option of a host antibody to facilitate mating in the insect vector establishes a new paradigm of parasite-host-vector coevolution that promotes parasite diversity and fitness through genetic exchange.

Promastigotes of Leishmania infantum undergo a series of extracellular developmental stages inside the natural sand fly vector Lutzomyia longipalpis to reach the infectious stage, the metacyclic promastigote. There is limited information regarding the expression profile of L. infantum developmental stages inside the sand fly vector, and molecular markers that can distinguish the different parasite stages are lacking. We performed RNAseq on unaltered midguts of the sand fly Lutzomyia longipalpis after infection with L. infantum parasites. RNAseq was carried out at various time points throughout parasite development. Principal component analysis mapped the sequences corresponding to the procyclic, nectomonad, leptomonad or metacyclic promastigote stage into distinct positions, with the procyclic stage being the most divergent population. Transcriptional levels across genes varied on average between 10- to 100-fold. Comparison between procyclic and nectomonad promastigotes resulted in 836 differentially expressed (DE) genes; between nectomonad and leptomonad promastigotes in 113 DE genes; and between leptomonad and metacyclic promastigotes in 302 DE genes. Most of the DE genes do not overlap across stages, highlighting the uniqueness of each stage. Furthermore, the different stages of Leishmania parasites exhibited specific transcriptional enrichment across chromosomes. Using the transcriptional signatures exhibited by distinct Leishmania stages during their development in the sand fly midgut, we determined the genes predominantly enriched in each stage, identifying multiple stage-specific markers for L. Infantum . Leading stage-specific marker candidates include genes encoding a zinc transporter in procyclics, a beta-fructofuranidase in nectomonads, a surface antigen-like protein in leptomonads, and an amastin-like surface protein in metacyclics. Overall, these findings demonstrate the transcriptional plasticity of the Leishmania parasite inside the sand fly vector and provide a repertoire of stage-specific markers for further development as molecular tools for epidemiological studies.

Abstract The skin microbiome plays a pivotal role in the production of attractive cues detected by mosquitoes. Here we leveraged recent advances in genetic engineering to significantly reduce the production of L-(+)-lactic acid as a strategy to reduce mosquito attraction to the highly prominent skin commensals Staphylococcus epidermidis and Corynebacterium amycolatum . Engraftment of these engineered bacteria onto the skin of mice reduced mosquito attraction and feeding for up to 11 uninterrupted days, which is considerably longer than the several hours of protection conferred by the leading chemical repellent DEET. Taken together, our findings demonstrate engineering the skin microbiome to reduce attractive volatiles represents an innovative untapped strategy to reduce vector attraction, preventing bites, and pathogen transmission setting the stage for new classes of long-lasting microbiome-based repellent products. One-Sentence Summary Modified microbes make skin less attractive to mosquitoes

Background: Phlebotomine sand flies are the vectors of Leishmania worldwide. To develop in the sand fly midgut, Leishmania multiplies and undergoes multiple stage differentiations leading to the infective form, the metacyclic promastigotes. To gain a better understanding of the influence of Leishmania infection in midgut gene expression, we performed RNA-Seq comparing uninfected Lutzomyia longipalpis midguts and Leishmania infantum-infected Lutzomyia longipalpis midguts at seven time points which cover the various developmental Leishmania stages including early time points when blood digestion is taking place and late time points when the parasites are undergoing metacyclogenesis. Results: Out of over 13,841 transcripts assembled de novo, only 113 sand fly transcripts, about 1%, were differentially expressed. Further, we observed a low overlap of differentially expressed sand fly transcripts across different time points suggesting a specific influence of each Leishmania stage on midgut gene expression. Two main patterns of sand fly gene expression modulation were noticed. At early time points (days 1-4), more transcripts were down-regulated by Leishmania infection at large fold changes (> -32 fold). Among the down-regulated genes, the transcription factor Forkhead/HNF-3 and hormone degradation enzymes were differentially regulated on day 4 and appear to be the upstream regulators of nutrient transport, digestive enzymes, and peritrophic matrix proteins. Conversely, at later time points (days 6 onwards), most of the differentially expressed transcripts were up-regulated by small fold changes (< 32 fold), and the molecular function of such genes are associated with the metabolism of lipids and detoxification of xenobiotics (P450). Conclusion: Overall, it appears that Leishmania modulates sand fly gene expression early on in order to overcome the barriers imposed by the midgut, yet it behaves like a commensal at later time points, when modest midgut gene expression changes correlate with a massive amount of parasites in the anterior midgut.

Phlebotomus papatasi sand flies inject their hosts with a myriad of pharmacologically active salivary proteins to assist with blood feeding and to modulate host defenses. These salivary proteins have been studied for their role in cutaneous leishmaniasis disease outcome with different salivary proteins attenuating or exacerbating lesion size. Studies have shown that while co-administered sand fly saliva exacerbates Leishmania major infections in naïve mice, animals pre-exposed to saliva are protected, with the infection attenuated via a delayed-type hypersensitivity immune reaction. These studies highlight the potential of the salivary components to be used as a vaccine. One protein in particular, P. papatasi salivary protein 15 (PpSP15) has been intensively studied because of its ability to protect mice against Le. major challenge. The number of antigenic molecules included in vaccines is restricted thus emphasizing the role of population genetics to identify molecules, like PpSP15, that are functionally significant, conserved across populations and do not experience selection. Three distinct ecotope study sites, one in Egypt (Aswan) and two in Jordan (Swaimeh and Malka), were chosen based on their elevation, rainfall, vegetation, differing reservoir species, and the presence or absence of Le. major. The objective of this work was to analyze the genetic variability of nine of the most abundantly expressed salivary proteins including PpSP12, PpSP14, PpSP28, PpSP29, PpSP30, PpSP32, PpSP36, PpSP42, and PpSP44 and to predict their ability to elicit an immune response. Two proteins, PpSP12 and PpSP14, demonstrated low genetic variability across the three sand fly populations represented in this study, with multiple predicted MHCII epitope binding sites, identified by alleles present in the human populations from the study sites. The other seven salivary proteins revealed greater allelic variation across the same sand fly populations indicating that their use as vaccine targets may prove to be challenging.

Abstract The skin microbiome plays a pivotal role in the production of attractive cues detected by mosquitoes. Here, we leveraged recent advances in genetic engineering to significantly reduce the production of L-(+)-lactic acid as a strategy to reduce mosquito attraction to the highly prominent skin commensals Staphylococcus epidermidis and Corynebacterium amycolatum. Engraftment of these engineered bacteria onto the skin of mice reduced mosquito attraction and feeding for up to 11 uninterrupted days, which is considerably longer than the several hours of protection conferred by the leading chemical repellent N,N-diethyl-meta-toluamide. Taken together, our findings demonstrate engineering the skin microbiome to reduce attractive volatiles represents an innovative untapped strategy to reduce vector attraction, preventing bites, and pathogen transmission. These findings set the stage for new classes of long-lasting microbiome-based repellent products.

Abstract The resident human skin microbiome is responsible for the production of most of the human scents that are attractive to mosquitoes. Hence, engineering the human skin microbiome to synthesize less of mosquito attractants or produce repellents could potentially reduce bites and prevent the transmission of deadly mosquito-borne pathogens. In order to further characterize the human skin volatilome, we quantified the major volatiles of 39 strains of skin commensals ( Staphylococci and Corynebacterium ). Importantly, to validate the behavioral activity of these volatiles, we first assessed landing behavior triggered by human skin bacteria volatiles. We demonstrated that this behavioral step is gated by the presence of carbon dioxide and L-(+)-lactic acid, similar to the combinatorial coding triggering short range attraction. Repellency behavior to selected skin volatiles and the geraniol terpene was tested in the presence of carbon dioxide and L-(+)-lactic acid. In a 2-choice landing behavior context, the skin volatiles 2- and 3-methyl butyric acids reduced mosquito landing by 62.0-81.6% and 87.1-99.6%, respectively. Similarly, geraniol was capable of reducing mosquito landing behavior by 74.9%. We also tested the potential repellency effects of geraniol on mosquitoes at short-range using a 4-port olfactometer. In these assays, geraniol reduced mosquito attraction (69-78%) to a mixture of key human kairomones carbon dioxide, L-(+)-lactic acid, and ammonia. These findings demonstrate that carbon dioxide and L-(+)-lactic acid changes the valence of other skin volatiles towards mosquito landing behavior. Moreover, this study offers candidate odorants to be targeted in a novel strategy to reduce attractants or produce repellents by the human skin microbiota that may curtail mosquito bites, and subsequent mosquito-borne disease.

Abstract Phlebotomine sand flies are of global significance as important vectors of human disease, transmitting bacterial, viral, and protozoan pathogens, including the devastating kinetoplastid parasites of the genus Leishmania , the causative agents of diseases collectively termed leishmaniasis. More than 40 pathogenic Leishmania species are transmitted to humans by approximately 35 sand fly species in 98 countries with hundreds of millions of people at risk around the world. As no approved efficacious vaccine exists, available drugs are expensive and/or toxic, and resistance is emerging, management of sand fly populations to break transmission is currently the most effective disease control strategy. To better understand the biology of sand flies, including the mechanisms involved in their vectorial capacity, insecticide resistance, and population structures we sequenced the genomes of two of the most important sand fly species: Phlebotomus papatasi , a cutaneous leishmaniasis vector, (distributed in the Middle East and North Africa) and Lutzomyia longipalpis, a visceral leishmaniasis vector (distributed across Central and South America). We categorized and curated genes involved in processes important to their roles as disease vectors, including chemosensation, blood feeding, circadian rhythm, immunity, and detoxification, as well as mobile genetic elements. We also defined gene orthology and observed micro-synteny among the genomes. Finally, we present the genetic diversity and population structure of these species in their respective geographical areas. These genomes will be a foundation on which to base future efforts to prevent vector-borne transmission of Leishmania parasites. Author Summary The leishmaniases are a group of neglected tropical diseases caused by protist parasites from the Genus Leishmania . Different Leishmania species present a wide clinical profile, ranging from mild, often self-resolving cutaneous lesions that can lead to protective immunity, to severe metastatic mucosal disease, to visceral disease that is ultimately fatal. Leishmania parasites are transmitted by the bites of sand flies, and as no approved vaccine exists, available drugs are toxic and/or expensive and resistance is emerging, new dual control strategies to combat these diseases must be developed, combining interventions on human infections and integrated sand fly population management. Effective vector control requires a good understanding of the biology of sand flies. To this end, we sequenced and annotated the genomes of two sand fly species that are important leishmaniasis vectors from the Old and New Worlds. These genomes allow us to better understand, at the genetic level, processes important in the vector biology of these species, such as finding hosts, blood-feeding, immunity, and detoxification. These genomic resources highlight the driving forces of evolution of two major Leishmania vectors and provide foundations for future research on how to better prevent leishmaniasis by control of the sand fly vectors.

Abstract Leishmaniasis is a debilitating and often fatal neglected tropical disease caused by Leishmania protozoa transmitted by infected sand flies. Vaccination through leishmanization with live Leishmania major has been used successfully but is no longer practiced because it resulted in unacceptable skin lesions. A second generation leishmanization is described here using a CRISPR genome edited L. major strain ( LmCen -/- ). Notably, LmCen -/- is the first genetically engineered gene deleted Leishmania strain that is antibiotic resistant marker free and does not have any off-target mutations. Mice immunized with LmCen -/- had virtually no visible lesions following challenge with L. major -infected sand flies while non-immunized animals developed large and progressive lesions with a 2-log fold higher parasite burden. LmCen -/- immunization showed protection and an immune response comparable to leishmanization. LmCen -/- is safe since it was unable to cause disease even in immunocompromised mice, induces robust host protection against vector sand fly challenge and because it is marker free, can be advanced to human vaccine trials.