Type VI CRISPR enzymes are RNA-targeting proteins with nuclease activity that enable specific and robust target gene knockdown without altering the genome. To define rules for the design of Cas13d guide RNAs (gRNAs), we conducted massively parallel screens targeting messenger RNAs (mRNAs) of a green fluorescent protein transgene, and CD46, CD55 and CD71 cell-surface proteins in human cells. In total, we measured the activity of 24,460 gRNAs with and without mismatches relative to the target sequences. Knockdown efficacy is driven by gRNA-specific features and target site context. Single mismatches generally reduce knockdown to a modest degree, but spacer nucleotides 15–21 are largely intolerant of target site mismatches. We developed a computational model to identify optimal gRNAs and confirm their generalizability, testing 3,979 guides targeting mRNAs of 48 endogenous genes. We show that Cas13 can be used in forward transcriptomic pooled screens and, using our model, predict optimized Cas13 gRNAs for all protein-coding transcripts in the human genome. Design of optimal guide RNAs for Cas13d-mediated RNA knockdown is enabled by computational modeling of large-scale screening data.

Abstract Prime editors (PEs) are CRISPR-based genome engineering tools that can introduce precise base-pair edits at specific locations in the genome. These programmable gene editors have been predicted to repair 89% of known human pathogenic variants in the ClinVar database, although these PE constructs do not presently exist. Towards this end, we developed an automated pipeline to correct (therapeutic editing) or introduce (disease modeling) human pathogenic variants that optimizes the design of several RNA constructs required for prime editing and avoids predicted off-targets in the human genome. However, using optimal PE design criteria, we find that only a small fraction of these pathogenic variants can be targeted. Through the use of alternative Cas9 enzymes and extended templates, we increase the number of targetable pathogenic variants to >50,000 variants and make these pre-designed PE constructs accessible through a web-based portal ( http://primeedit.nygenome.org ). Given the tremendous potential for therapeutic gene editing, we also assessed the possibility of developing universal PE constructs. By examining the overlap of different PE components with common human genetic variants in dbSNP, we find that common variants affect only a small minority of designed PEs.

Abstract Pooled CRISPR screens have been used to identify genes responsible for specific phenotypes and diseases, and, more recently, to connect genetic perturbations with multi-dimensional gene expression profiles. Here, we describe a method to link genome-wide chromatin accessibility to genetic perturbations in single cells. This scalable, cost-effective method combines pooled CRISPR perturbations with a single-cell combinatorial indexing assay for transposase-accessible chromatin (CRISPR-sciATAC). Using a human and mouse species-mixing experiment, we show that CRISPR-sciATAC separates single cells with a low doublet rate. Then, in human myelogenous leukemia cells, we apply CRISPR-sciATAC to target 21 chromatin-related genes that are frequently mutated in cancer and 84 subunits and cofactors of chromatin remodeling complexes, generating chromatin accessibility data for ~30,000 single cells. Using this large-scale atlas, we correlate loss of specific chromatin remodelers with changes in accessibility — globally and at the binding sites of individual transcription factors. For example, we show that loss of the H3K27 methyltransferase EZH2 leads to increased accessibility at heterochromatic regions involved in embryonic development and triggers expression of multiple genes in the HOXA and HOXD clusters. At a subset of regulatory sites, we also analyze dynamic changes in nucleosome spacing upon loss of chromatin remodelers. CRISPR-sciATAC is a high-throughput, low-cost single-cell method that can be applied broadly to study the role of genetic perturbations on chromatin in normal and disease states.

Abstract CRISPR-Cas13 mediates robust transcript knockdown in human cells through direct RNA targeting. Compared to DNA-targeting CRISPR enzymes like Cas9, RNA targeting by Cas13 is transcript- and strand-specific: It can distinguish and specifically knock-down processed transcripts, alternatively spliced isoforms and overlapping genes, all of which frequently serve different functions. Previously, we identified optimal design rules for Rfx Cas13d guide RNAs (gRNAs), and developed a computational model to predict gRNA efficacy for all human protein-coding genes. However, there is a growing interest to target other types of transcripts, such as noncoding RNAs (ncRNAs) or viral RNAs, and to target transcripts in other commonly-used organisms. Here, we predicted relative Cas13-driven knock-down for gRNAs targeting messenger RNAs and ncRNAs in six model organisms (human, mouse, zebrafish, fly, nematode and flowering plants) and four abundant RNA virus families (SARS-CoV-2, HIV-1, H1N1 influenza and MERS). To allow for more flexible gRNA efficacy prediction, we also developed a web-based application to predict optimal gRNAs for any RNA target entered by the user. Given the lack of Cas13 guide design tools, we anticipate this resource will facilitate CRISPR-Cas13 RNA targeting in common model organisms, emerging viral threats to human health, and novel RNA targets.

Abstract A novel isolate of the SARS-CoV-2 virus carrying a point mutation in the Spike protein (D614G) has recently emerged and rapidly surpassed others in prevalence. This mutation is in linkage disequilibrium with an ORF1b protein variant (P314L), making it difficult to discern the functional significance of the Spike D614G mutation from population genetics alone. Here, we perform site-directed mutagenesis to introduce the D614G variant and show that in multiple cell lines, including human lung epithelial cells, that the D614G mutation is up to 8-fold more effective at transducing cells than wild-type. We demonstrate increased infection using both Spike-pseudotyped lentivirus and intact SARS-CoV-2 virus. Although there is minimal difference in ACE2 receptor binding between the Spike variants, we show that the G614 variant is more resistant to proteolytic cleavage in vitro and in human cells, suggesting a possible mechanism for the increased transduction. This result has important implications for the efficacy of Spike-based vaccines currently under development in protecting against this recent and highly-prevalent SARS-CoV-2 isolate.