Abstract Information on common markers of metabolic resistance in malaria vectors from countries sharing similar eco-climatic characteristics can facilitate coordination of malaria control. Here, we characterized populations of the major malaria vector Anopheles coluzzii from Sahel region, spanning four sub-Saharan African countries: Nigeria, Niger, Chad and Cameroon. Genome-wide transcriptional analysis identified major genes previously implicated in pyrethroid and/or cross resistance to other insecticides, overexpressed across the Sahel, including CYP450s, glutathione S-transferases, carboxylesterases, and cuticular proteins. Several, well-known markers of insecticide resistance were found in high frequencies - including in the voltage-gated sodium channel (V402L, I940T, L995F, I1527T and N1570Y), the acetylcholinesterase -1 gene (G280S) and the CYP4J5 -L43F (fixed). High frequencies of the epidemiologically important chromosomal inversions, 2La, 2Rb and 2Rc were observed (∼80% for 2Rb and 2Rc). The 2La alternative arrangement is fixed across the Sahel. Low frequencies of these inversions (<10%) were observed in the fully insecticide susceptible laboratory colony of An. coluzzii (Ngoussou). Several of the most commonly overexpressed metabolic resistance genes sit in these three inversions. Two commonly overexpressed genes, GSTe2 and CYP6Z2 were functionally validated. Transgenic Drosophila melanogaster expressing GSTe2 exhibited extremely high DDT and permethrin resistance (mortalities < 10% in 24 h). Serial deletion of the 5’ intergenic region, to identify putative nucleotide(s) associated with GSTe2 overexpression, revealed that simultaneous insertion of adenine nucleotide and a transition (T->C), between Fork-head box L1 and c-EST putative binding sites were responsible for the high overexpression of GSTe2 in the resistant mosquitoes. Transgenic flies expressing CYP6Z2 exhibited marginal resistance towards 3-phenoxybenzylalcohol (a primary product of pyrethroid hydrolysis by carboxylesterases) and a type II pyrethroid, α-cypermethrin. However, significantly higher mortalities were observed in CYP6Z2 transgenic flies compared with controls, on exposure to the neonicotinoid, clothianidin. This suggests a possible bioactivation of clothianidin into a toxic intermediate, which if true make it an ideal insecticide against populations of An. coluzzii overexpressing this P450. These findings will facilitate regional collaborations within the Sahel region, and refine implementation strategies through re-focusing interventions, improving evidence-based, cross-border policy towards local and regional malaria pre-elimination.

Metabolic resistance to pyrethroids is jeopardizing the effectiveness of insecticide-based interventions against malaria. The complexity of the Africa-wide spatiotemporal evolution of the molecular basis of this resistance, the major genetic drivers should be detected to improve resistance management. Here, we demonstrated that a single amino acid change G454A in the cytochrome P450 CYP9K1 drives pyrethroid resistance in Anopheles funestus vector in East and Central Africa. Polymorphism analysis revealed drastic reduction of diversity of the CYP9K1 gene in Uganda (2014) with the selection of a predominant haplotype (90%), exhibited a G454A mutation. However, 6 years later (2020) the Ugandan 454A-CYP9K1 haplotype was also predominant in Cameroon (84.6%), but absent in Malawi (Southern Africa) and Ghana (West Africa). In vitro comparative heterologous metabolism assays revealed that the mutant-type 454A-CYP9K1 (R) allele metabolises type II pyrethroid (deltamethrin) better than the wild-type G454-CYP9K1 (S) allele. Transgenic Drosophila melanogaster flies expressing the mutant-type 454A-CYP9K1 allele were significantly more resistant to both type I and II pyrethroids than the flies expressing the wild-type G454-CYP9K1 allele. Genotyping with a newly designed DNA-based diagnostic assay targeting the G454A replacement revealed that this mutation is strongly associated with pyrethroid resistance as mosquitoes surviving pyrethroid exposure were significantly more homozygote resistant (Odds ratio = 567, P<0.0001). Furthermore, Cone test and experimental hut trials showed that 454A-CYP9K1 reduces the efficacy of LLINs. The resistant allele (454A) is under directional selection in Eastern and Central Africa, present but not strongly selected in Southern Africa and at very low frequency in West Africa. This study reveals the rapid spread of P450-based metabolic pyrethroid resistance driven by CYP9K1, greatly reducing the efficacy of pyrethroid-based control tools. The new DNA-based assay designed here will add to the toolbox to monitor resistance in the field and improve resistance management strategies.

Abstract Deciphering the molecular drivers of insecticide resistance is paramount to extend the effectiveness of malaria vector control tools. Here, we demonstrated that the E205D amino acid change in a key metabolic resistance P450 CYP6P3 drives pyrethroid resistance in the major malaria vector, Anopheles gambiae . Spatio-temporal whole genome Poolseq analyses in Cameroon detected a major P450-linked locus on chromosome 2R beside the sodium channel locus. In vitro metabolism assays with recombinantly expressed CYP6P3 protein revealed that the catalytic efficiency of 205D was 2.5 times higher than E205 with α-cypermethrin. Similar patterns were observed for permethrin. Overexpression of the 205D allele in transgenic flies confers higher more pyrethroids and carbamates resistance, compared to controls. A DNA-based assay further supported that the CYP6P3 -205D variant strongly correlates with pyrethroid resistance in field populations (OR=26.4; P<0.0001) and that it reduces the efficacy of pyrethroid-only LLINs with homozygote RR genotype exhibiting significantly higher survival following PermaNet 3.0 exposure compared to the SS genotype (OR: 6.1, p = 0.0113). Furthermore, the CYP6P3 -E205D combines with the kdr target-site resistance mechanisms to worsen the loss of bednet efficacy. The 205D mutation is now predominant in West and Central Africa but less abundant or absent in East and South Africa with signs of introgression with An. coluzzii in Ghana. This study highlights the importance of P450-based resistance and designs field-applicable tools to easily track the spread of metabolic resistance and assess its impact on control interventions. One Sentence Summary: The major obstacle to malaria control and elimination is the spread of parasite resistance to anti-malarial drugs, and mosquito resistance to insecticides. In this study, we identified a key point mutation E205D in the metabolic gene CYP6P3 (cytochrome P450) conferring resistance to pyrethroids by enhancing the breakdown of insecticides used for bednets impregnation. DNA-based assays were then designed and used to determine the spread of the resistance across Africa and demonstrate that the CYP6P3 -205D allele works together with the knockdown resistance in the voltage-gated Sodium channel to reduce the efficacy of insecticide-treated bednets.

Insecticide resistance is jeopardising malaria control efforts in Africa. Deciphering the evolutionary dynamics of mosquito populations country-wide is essential for designing effective and sustainable national and subnational tailored strategies to accelerate malaria elimination efforts. Here, we employed genome-wide association studies through pooled template sequencing to compare four eco-geographically different populations of the major vector, Anopheles funestus, across a South North transect in Cameroon, aiming to identify genomic signatures of adaptive responses to insecticides. Our analysis revealed limited population structure within Northern and Central regions (FST<0.02), suggesting extensive gene flow, while populations from the Littoral/Coastal region exhibited more distinct genetic patterns (FST>0.049). Greater genetic differentiation was observed at known resistance-associated loci, resistance-to-pyrethroids 1 (rp1) (2R chromosome) and CYP9 (X chromosome), with varying signatures of positive selection across populations. Allelic variation between variants underscores the pervasive impact of selection pressures, with rp1 variants more prevalent in Central and Northern populations (FST>0.3), and the CYP9 associated variants more pronounced in the Littoral/Coastal region (FST =0.29). Evidence of selective sweeps was supported by negative Tajima’s D and reduced genetic diversity in all populations, particularly in Central (Elende) and Northern (Tibati) regions. Genomic variant analysis identified novel missense mutations and signatures of complex genomic alterations such as duplications, deletions, transposable element (TE) insertions, and chromosomal inversions, all associated with selective sweeps. A 4.3 kb TE insertion was fixed in all populations with Njombe Littoral/Coastal population, showing higher frequency of CYP9K1 (G454A), a known resistance allele and TE upstream compared to elsewhere. Our study uncovered regional variations in insecticide resistance candidate variants, emphasizing the need for a streamlined DNA-based diagnostic assay for genomic surveillance across Africa. These findings will contribute to the development of tailored resistance management strategies crucial for addressing the dynamic challenges of malaria control in Cameroon.

Abstract Background Monitoring of drug resistance in Plasmodium populations is crucial for malaria control. This has primarily been performed in humans and rarely in mosquitoes where parasites genetic recombination occurs. Here, we characterized the Plasmodium spp populations in wild Anopheles vectors by analyzing the genetic diversity of the P. falciparum kelch13 and mdr1 gene fragments implicated in artemisinin and partner drug resistance across Cameroon in three major malaria vectors. Methods Anopheles mosquitoes were collected across nine localities in Cameroon and dissected into the head/thorax (H/T) and abdomen (Abd) after species identification. A TaqMan assay was performed to detect Plasmodium infection. Fragments of the Kelch 13 and mdr1 genes were amplified in P. falciparum positive samples and directly sequenced to assess their drug resistance polymorphisms and genetic diversity profile. Results The study revealed a high Plasmodium infection rate in the major Anopheles vectors across Cameroon. Notably, A n. funestus vector recorded the highest sporozoite (8.02%) and oocyst (14.41%) infection rates. A high P. falciparum sporozoite rate (80.08%) alongside epidemiological signatures of significant P. malariae (15.94%) circulation were recorded in these vectors. Low genetic diversity with six (A578S, R575I, G450R, L663L, G453D, N458D) and eight (H53H, V62L, V77E, N86Y, G102G, L132I, H143H, Y184F) point mutations were observed in the k13 and mdr1 backbones respectively. Remarkably, the R575I (4.44%) k13 and Y184F (64.2%) mdr1 mutations were the predominant variants in the P. falciparum populations. Conclusion The emerging signal of the R575I polymorphism in the Pfk13 propeller backbone entails the regular surveillance of molecular markers to inform evidence-based policy decisions. Moreover, the high frequency of the 86 N 184 F allele highlights concerns on the plausible decline in efficacy of artemisinin-combination therapies (ACTs); further implying that parasite genotyping from mosquitoes can provide a more relevant scale for quantifying resistance epidemiology in the field.

Abstract Elucidating the complex evolutionary armory that mosquitoes deploy against insecticides is crucial to maintain the effectiveness of insecticide-based interventions. Here, we deciphered the role of a 6.5kb structural variation (SV) in driving cytochrome P450-mediated pyrethroid resistance in the malaria vector, Anopheles funestus . Whole genome pooled sequencing detected an intergenic 6.5kb SV between duplicated CYP6P9a/b P450s in pyrethroid resistant mosquitoes through a translocation event. Promoter analysis revealed a 17.5-fold higher activity (P<0.0001) for the SV-carrying fragment than the SV-free one. qRT-PCR expression profiling of CYP6P9a/b for each SV genotype supported its role as an enhancer since SV+/SV+ homozygote mosquitoes had significantly greater expression for both genes than heterozygotes SV+/SV- (1.7-2-fold) and homozygotes SV-/SV- (4-5-fold). Designing a PCR assay revealed a strong association between this SV and pyrethroid resistance (SV+/SV+ vs SV-/SV-; OR=2079.4, P =<0.001). The 6.5kb SV is present at high frequency in southern Africa (80-100%) but absent in East/Central/West Africa. Experimental hut trials revealed that homozygote SV mosquitoes had significantly greater chance to survive exposure to pyrethroid-treated Nets (OR 27.7; P < 0.0001) and to blood feed than susceptible. Furthermore, triple homozygote resistant (SV+/CYP6P9a_R/CYP6P9b_R) exhibit a higher resistance level leading to a far superior ability to survive exposure to nets than triple susceptible mosquitoes, revealing a strong additive effect. This study highlights the important role of structural variations in the development of insecticide resistance in malaria vectors and their detrimental impact on the effectiveness of pyrethroid-based nets.

Abstract The presence of bacteria of the genus Asaia in mosquitoes makes them suitable candidates for malaria paratrangenic control. To better understand whether this bacterium could be used for malaria control, we investigated and quantified Asaia influence in An. L gambiae sl populations naturally infected by the malaria parasite Plasmodium falciparum. Adult Anopheles mosquitoes were collected across two different eco-geographical localities in Cameroon, during the dry and wet seasons. DNA was extracted from the whole individual mosquitoes and Asaia was quantified using real-time Q-PCR by amplification of 16S ribosomal RNA gene. We also detected and quantified Plasmodium falciparum infection in same mosquitoes. The density of Asaia was quantified in 864 mosquitoes. This included 439 An. gambiae collected from Bankeng and 425 An. coluzzii collected from Gounougou. The prevalence of Asaia in An. gambiae and An. coluzzii was 88.3% and 80.9% respectively, with An. gambiae were more heavily infected by Asaia than An. coluzzii. There was also a significant difference between the infection densities of Asaia per season in the two localities. We also had a significant difference between the infection densities of Asaia according to Plasmodium infection status in the two localities. However, no correlation was observed between the amount of Asaia and P. falciparum infection. This study provides evidence that naturally occurring Asaia infection is not correlated to P. falciparum development within An. gambiae and An. coluzzii. Further studies as experimental infection and innate immune response are required to better investigate the correlation between Anopheles mosquitoes, Asaia and Plasmodium . Importance Malaria control relies mainly on insecticide-based tools. However, the effectiveness of these tools is threatened by the widespread insecticide resistance in malaria vectors highlighting the need for alternative control approaches. The endosymbiont Asaia has emerged as a promising candidate for paratransgenic control of malaria, but its biology and genetics still need to be further analyzed across Africa. Here, we investigated and quantified Asaia influence in An. L gambiae sl populations naturally infected by the malaria parasite Plasmodium falciparum. DNA was extracted from the whole individual mosquitoes collected from two localities, and then Asaia was quantified using real-time Q-PCR by amplification of 16S ribosomal RNA gene. We also detected and quantified Plasmodium falciparum infection in same mosquitoes and correlated Plasmodium infection them with the presence of Asaia infection. This study provides evidence that naturally occurring Asaia infection is not correlated to P. falciparum development within An. gambiae and An. coluzzii .

Abstract Gaining a comprehensive understanding of the genetic mechanisms underlying insecticide resistance in malaria vectors is crucial for optimising the effectiveness of insecticide-based vector control methods and developing diagnostic tools for resistance management. Considering the heterogeneity of metabolic resistance in major malaria vectors, the implementation of tailored resistance management strategies is essential for successful vector control. In this study, we provide evidence demonstrating that two highly selected mutations in the tandemly duplicated cytochrome P450 genes namely CYP6P4a and CYP6P4b , are driving pyrethroid insecticide resistance in the major malaria vector Anopheles funestus, in West Africa. Through a continent-wide polymorphism survey, we observed heightened indications of directional selection in both genes between 2014 and 2021. By conducting in vitro insecticide metabolism assays with recombinant enzymes expressed from both genes, we established that mutant alleles under selection exhibit higher metabolic efficiency compared to their wild-type counterparts. Furthermore, using the GAL4-UAS transgenic system, we demonstrated that transgenic Drosophila melanogaster flies overexpressing mutant alleles displayed an increased resistance to pyrethroids. These findings were in agreement with in silico characterisation, which highlighted changes in enzyme active site architecture that enhance the affinity of mutant alleles for type I and II pyrethroids. Furthermore, we developed two DNA-based assays capable of detecting the CYP6P4a-M220I and CYP6P4b-D284E mutations, showing their current confinement to West Africa. Genotype/phenotype correlation analyses revealed that these markers are strongly associated with resistance to types I and II pyrethroids and combine to drastically reduce the efficacy of pyrethroid bednets. Overall, our study makes available two field-applicable insecticide resistance molecular markers that will help in the monitoring and better management of insecticide resistance in West Africa. Teaser Two field-applicable diagnostic tools for detecting metabolic resistance in Anopheles funestus to enhance insecticide resistance management in West Africa.