Significance Malaria continues to impose enormous health and economic burdens on the developing world. Novel technologies proposed to reduce the impact of the disease include the introgression of parasite-resistance genes into mosquito populations, thereby modifying the ability of the vector to transmit the pathogens. Such genes have been developed for the human malaria parasite Plasmodium falciparum . Here we provide evidence for a highly efficient gene-drive system that can spread these antimalarial genes into a target vector population. This system exploits the nuclease activity and target-site specificity of the Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) system, which, when restricted to the germ line, copies a genetic element from one chromosome to its homolog with ≥98% efficiency while maintaining the transcriptional activity of the genes being introgressed.

Mosquitoes with null mutations in the orco olfactory co-receptor have reduced preference for humans, are only attracted to human odour in the presence of CO2 and are not repelled by the odour of the insect repellent DEET. The most dangerous vectors of human disease, such as Anopheles gambiae and Aedes aegypti, differ from less-threating types by having a strong preference for human blood as opposed to a broader diet of vertebrate blood. How mosquitoes distinguish humans from non-humans is not understood. Here Leslie Vosshall and colleagues have developed gene-targeting in A. aegypti mosquitoes to produce mutant females that retain a strong attraction to both human and animal hosts in the presence of carbon dioxide (the exhaled gas acts as an attractant) but no longer prefer humans. The mutation disrupts the orco gene, which codes for a co-receptor that is essential for all insect odorant receptors. Interestingly the orco-mutant female mosquitoes were attracted to humans even in the presence of the insect repellant DEET, although they were repelled upon contact. This indicates that there are both olfactory- and contact-mediated effects of DEET. Female mosquitoes of some species are generalists and will blood-feed on a variety of vertebrate hosts, whereas others display marked host preference. Anopheles gambiae and Aedes aegypti have evolved a strong preference for humans, making them dangerously efficient vectors of malaria and Dengue haemorrhagic fever1. Specific host odours probably drive this strong preference because other attractive cues, including body heat and exhaled carbon dioxide (CO2), are common to all warm-blooded hosts2,3. Insects sense odours via several chemosensory receptor families, including the odorant receptors (ORs), membrane proteins that form heteromeric odour-gated ion channels4,5 comprising a variable ligand-selective subunit and an obligate co-receptor called Orco (ref. 6). Here we use zinc-finger nucleases to generate targeted mutations in the orco gene of A. aegypti to examine the contribution of Orco and the odorant receptor pathway to mosquito host selection and sensitivity to the insect repellent DEET (N,N-diethyl-meta-toluamide). orco mutant olfactory sensory neurons have greatly reduced spontaneous activity and lack odour-evoked responses. Behaviourally, orco mutant mosquitoes have severely reduced attraction to honey, an odour cue related to floral nectar, and do not respond to human scent in the absence of CO2. However, in the presence of CO2, female orco mutant mosquitoes retain strong attraction to both human and animal hosts, but no longer strongly prefer humans. orco mutant females are attracted to human hosts even in the presence of DEET, but are repelled upon contact, indicating that olfactory- and contact-mediated effects of DEET are mechanistically distinct. We conclude that the odorant receptor pathway is crucial for an anthropophilic vector mosquito to discriminate human from non-human hosts and to be effectively repelled by volatile DEET.

Mosquitoes ( Aedes aegypti ) were genetically modified to exhibit impaired vector competence for dengue type 2 viruses (DENV-2). We exploited the natural antiviral RNA interference (RNAi) pathway in the mosquito midgut by constructing an effector gene that expresses an inverted-repeat (IR) RNA derived from the premembrane protein coding region of the DENV-2 RNA genome. The A. aegypti carboxypeptidase A promoter was used to express the IR RNA in midgut epithelial cells after ingestion of a bloodmeal. The promoter and effector gene were inserted into the genome of a white-eye Puerto Rico Rexville D (Higgs’ white eye) strain by using the nonautonomous mariner MosI transformation system. A transgenic family, Carb77, expressed IR RNA in the midgut after a bloodmeal. Carb77 mosquitoes ingesting an artificial bloodmeal containing DENV-2 exhibited marked reduction of viral envelope antigen in midguts and salivary glands after infection. DENV-2 titration of individual mosquitoes showed that most Carb77 mosquitoes poorly supported virus replication. Transmission in vitro of virus from the Carb77 line was significantly diminished when compared to control mosquitoes. The presence of DENV-2-derived siRNAs in RNA extracts from midguts of Carb77 and the loss of the resistance phenotype when the RNAi pathway was interrupted proved that DENV-2 resistance was caused by a RNAi response. Engineering of transgenic A. aegypti that show a high level of resistance against DENV-2 provides a powerful tool for developing population replacement strategies to control transmission of dengue viruses.

The mariner transposable element is capable of interplasmid transposition in the embryonic soma of the yellow fever mosquito, Aedes aegypti . To determine if this demonstrated mobility could be utilized to genetically transform the mosquito, a modified mariner element marked with a wild-type allele of the Drosophila melanogaster cinnabar gene was microinjected into embryos of a kynurenine hydroxylase-deficient, white-eyed recipient strain. Three of 69 fertile male founders resulting from the microinjected embryos produced families with colored-eyed progeny individuals, a transformation rate of 4%. The transgene-mediated complementation of eye color was observed to segregate in a Mendelian manner, although one insertion segregates with the recessive allele (female-determining) of the sex-determining locus, and a separate insertion is homozygous lethal. Molecular analysis of selected transformed families demonstrated that a single complete copy of the construct had integrated independently in each case and that it had done so in a transposase-mediated manner. The availability of a mariner transformation system greatly enhances our ability to study and manipulate this important vector species.

Dengue and dengue hemorrhagic fever are increasing public health problems with an estimated 50–100 million new infections each year. Aedes aegypti is the major vector of dengue viruses in its range and control of this mosquito would reduce significantly human morbidity and mortality. Present mosquito control methods are not sufficiently effective and new approaches are needed urgently. A “sterile-male-release” strategy based on the release of mosquitoes carrying a conditional dominant lethal gene is an attractive new control methodology. Transgenic strains of Aedes aegypti were engineered to have a repressible female-specific flightless phenotype using either two separate transgenes or a single transgene, based on the use of a female-specific indirect flight muscle promoter from the Aedes aegypti Actin-4 gene. These strains eliminate the need for sterilization by irradiation, permit male-only release (“genetic sexing”), and enable the release of eggs instead of adults. Furthermore, these strains are expected to facilitate area-wide control or elimination of dengue if adopted as part of an integrated pest management strategy.

Abstract Background Aedes aegypti mosquitoes are the main vectors of dengue viruses to humans. Understanding their biology and interactions with the pathogen are prerequisites for development of dengue transmission control strategies. Mosquito salivary glands are organs involved directly in pathogen transmission to vertebrate hosts. Information on the spatial distribution of gene expression in these organs is expected to assist in the development of novel disease control strategies, including those that entail the release of transgenic mosquitoes with impaired vector competence. Results We report here the hybridization in situ patterns of 30 transcripts expressed in the salivary glands of adult Ae. aegypti females. Distinct spatial accumulation patterns were identified. The products of twelve genes are localized exclusively in the proximal-lateral lobes. Among these, three accumulate preferentially in the most anterior portion of the proximal-lateral lobe. This pattern revealed a salivary gland cell type previously undescribed in Ae. aegypti , which was validated by transmission electron microscopy. Five distinct gene products accumulate in the distal-lateral lobes and another five localize in the medial lobe. Seven transcripts are found in the distal-lateral and medial lobes. The transcriptional product of one gene accumulates in proximal- and distal-lateral lobes. Seven genes analyzed by quantitative PCR are expressed constitutively. The most abundant salivary gland transcripts are those localized within the proximal-lateral lobes, while previous work has shown that the distal-lateral lobes are the most active in protein synthesis. This incongruity suggests a role for translational regulation in mosquito saliva production. Conclusions Transgenic mosquitoes with reduced vector competence have been proposed as tools for the control of dengue virus transmission. Expression of anti-dengue effector molecules in the distal-lateral lobes of Ae. aegypti salivary glands has been shown to reduce prevalence and mean intensities of viral infection. We anticipate greater efficiency of viral suppression if effector genes are expressed in all lobes of the salivary glands. Based on our data, a minimum of two promoters is necessary to drive the expression of one or more anti-dengue genes in all cells of the female salivary glands.

Multiple stringent confinement strategies should be used whenever possible

The Asian tiger mosquito, Aedes albopictus, is a highly successful invasive species that transmits a number of human viral diseases, including dengue and Chikungunya fevers. This species has a large genome with significant population-based size variation. The complete genome sequence was determined for the Foshan strain, an established laboratory colony derived from wild mosquitoes from southeastern China, a region within the historical range of the origin of the species. The genome comprises 1,967 Mb, the largest mosquito genome sequenced to date, and its size results principally from an abundance of repetitive DNA classes. In addition, expansions of the numbers of members in gene families involved in insecticide-resistance mechanisms, diapause, sex determination, immunity, and olfaction also contribute to the larger size. Portions of integrated flavivirus-like genomes support a shared evolutionary history of association of these viruses with their vector. The large genome repertory may contribute to the adaptability and success of Ae. albopictus as an invasive species.

An approach based on mosquitoes carrying a conditional dominant lethal gene (release of insects carrying a dominant lethal, RIDL) is being developed to control the transmission of dengue viruses by vector population suppression. A transgenic strain, designated OX3604C, of the major dengue vector, Aedes aegypti , was engineered to have a repressible female-specific flightless phenotype. This strain circumvents the need for radiation-induced sterilization, allows genetic sexing resulting in male-only releases, and permits the release of eggs instead of adult mosquitoes. OX3604C males introduced weekly into large laboratory cages containing stable target mosquito populations at initial ratios of 8.5–10∶1 OX3604C∶target eliminated the populations within 10–20 weeks. These data support the further testing of this strain in contained or confined field trials to evaluate mating competitiveness and environmental and other effects. Successful completion of the field trials should facilitate incorporation of this approach into area-wide dengue control or elimination efforts as a component of an integrated vector management strategy.

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.