ABSTRACT The development of Cas9/gRNA-mediated gene-drive systems has bolstered the advancement of genetic technologies for controlling vector-borne pathogen transmission. These include population suppression approaches, genetic analogs of insecticidal techniques that reduce the number of vector insects, and population modification (replacement/alteration) approaches, which interfere with competence to transmit pathogens. We developed a recoded gene-drive rescue system for population modification in the malaria vector, Anopheles stephensi , that relieves the load in females caused by integration of the drive into the kynurenine hydroxylase gene by rescuing its function. Non-functional resistant alleles are eliminated via a dominantly-acting maternal effect combined with slower-acting standard negative selection, and a functional resistant allele does not prevent drive invasion. Small cage trials show that single releases of gene-drive males robustly result in efficient population modification with ≥95% of mosquitoes carrying the drive within 5-11 generations over a range of initial release ratios.

Abstract Background The mosquito Anopheles stephensi is a vector of urban malaria in Asia that recently invaded Africa. Studying the genetic basis of vectorial capacity and engineering genetic interventions are both impeded by limitations of a vector’s genome assembly. The existing assemblies of An. stephensi are draft-quality and contain thousands of sequence gaps, potentially missing genetic elements important for its biology and evolution. Results To access previously intractable genomic regions, we generated a reference-grade genome assembly and full transcript annotations that achieve a new standard for reference genomes of disease vectors. Here, we report novel species-specific transposable element families and insertions in functional genetic elements, demonstrating the widespread role of TEs in genome evolution and phenotypic variation. We discovered 29 previously hidden members of insecticide resistance genes, uncovering new candidate genetic elements for the widespread insecticide resistance observed in An. stephensi . We identified 2.4 Mb of the Y-chromosome and seven new male-linked gene candidates, representing the most extensive coverage of the Y-chromosome in any mosquito. By tracking full length mRNA for >15 days following blood feeding, we discover distinct roles of previously uncharacterized genes in blood metabolism and female reproduction. The Y-linked heterochromatin landscape reveals extensive accumulation of long-terminal repeat retrotransposons throughout the evolution and degeneration of this chromosome. Finally, we identify a novel Y-linked putative transcription factor that is expressed constitutively through male development and adulthood, suggesting an important role throughout male development. Conclusion Collectively, these results and resources underscore the significance of previously hidden genomic elements in the biology of malaria mosquitoes and will accelerate development of genetic control strategies of malaria transmission.

Resistance in Anopheles gambiae to members of all four major classes (pyrethroids, carbamates, organochlorines and organophosphates) of public health insecticides limits effective control of malaria transmission in Africa. Increased expression of detoxifying enzymes has been associated with resistance, but direct functional validation in An. gambiae has been lacking. Here we perform transgenic analysis using the GAL4/UAS system to examine insecticide resistance phenotypes conferred by increased expression of the three genes - Cyp6m2, Cyp6p3 and Gste2 - most often found upregulated in resistant An. gambiae. We report the first evidence in An. gambiae that organophosphate and organochlorine resistance is conferred by overexpression of GSTE2 in a broad tissue profile. Pyrethroid and carbamate resistance is bestowed by similar Cyp6p3 overexpression, and Cyp6m2 confers only pyrethroid resistance when overexpressed in the same tissues. Conversely, such Cyp6m2 overexpression increases susceptibility to the organophosphate malathion, presumably due to conversion to a more toxic metabolite. No resistant phenotypes are conferred when either Cyp6 gene overexpression is restricted to the midgut or oenocytes, answering long standing questions related to the importance of these tissues in resistance to contact insecticides. Validation of genes conferring resistance provides markers to guide control strategies, and the observed negative cross-resistance due to Cyp6m2 gives credence to proposed dual insecticide strategies to overcome pyrethroid resistance. These trasnsgenic An. gambiae resistant lines are being used to test potential liabilities in new active compounds early in development.