SUMMARY The cellular architecture of a tumor, particularly immune composition, has a major impact on cancer outcome, and thus there is an interest in identifying genes that control the tumor microenvironment (TME). While CRISPR screens are helping uncover genes regulating many cell-intrinsic processes, existing approaches are suboptimal for identifying gene functions operating extracellularly or within a tissue context. To address this, we developed an approach for spatial functional genomics called Perturb-map, which utilizes protein barcodes (Pro-Code) to enable spatial detection of barcoded cells within tissue. We show >120 Pro-Codes can be imaged within a tumor, facilitating spatial mapping of 100s of cancer clones. We applied Perturb-map to knockout dozens of genes in parallel in a mouse model of lung cancer and simultaneously assessed how each knockout influenced tumor growth, histopathology, and immune composition. Additionally, we paired Perturb-map and spatial transcriptomics for unbiased molecular analysis of Pro-Code/CRISPR lesions. Our studies found in Tgfbr2 knockout lesions, the TME was converted to a mucinous state and T-cells excluded, which was concomitant with increased TGFβ expression and pathway activation, suggesting Tgfbr2 loss on lung cancer cells enhanced suppressive effects of TGFβ on the TME. These studies establish Perturb-map for functional genomics within a tissue at single cell-resolution with spatial architecture preserved.

Large-scale reference data sets of human genetic variation are critical for the medical and functional interpretation of DNA sequence changes. Here we describe the aggregation and analysis of high-quality exome (protein-coding region) sequence data for 60,706 individuals of diverse ethnicities generated as part of the Exome Aggregation Consortium (ExAC). The resulting catalogue of human genetic diversity contains an average of one variant every eight bases of the exome, and provides direct evidence for the presence of widespread mutational recurrence. We show that this catalogue can be used to calculate objective metrics of pathogenicity for sequence variants, and to identify genes subject to strong selection against various classes of mutation; we identify 3,230 genes with near-complete depletion of truncating variants, 72% of which have no currently established human disease phenotype. Finally, we demonstrate that these data can be used for the efficient filtering of candidate disease-causing variants, and for the discovery of human knockout variants in protein-coding genes.

Protein-coding de novo mutations (DNMs) in the form of single nucleotide changes and short insertions/deletions are significant genetic risk factors for autism, intellectual disability, developmental delay, and epileptic encephalopathy. In contrast, the burden of DNMs has thus far only had a modest documented impact on schizophrenia (SCZ) risk. Here, we analyze whole-exome sequence from 1,695 SCZ affected parent-offspring trios from Taiwan along with DNMs from 1,077 published SCZ trios to better understand the contribution of coding DNMs to SCZ risk. Among 2,772 SCZ affected probands, the increased burden of DNMs is modest. Gene set analyses show that the modest increase in risk from DNMs in SCZ probands is concentrated in genes that are either highly brain expressed, under strong evolutionary constraint, and/or overlap with genes identified as DNM risk factors in other neurodevelopmental disorders. No single gene meets the criteria for genome-wide significance, but we identify 16 genes that are recurrently hit by a protein-truncating DNM, which is a 3.15-fold higher rate than mutation model expectation of 5.1 genes (permuted 95% CI=1-10 genes, permuted p=3e-5). Overall, DNMs explain only a small fraction of SCZ risk, and this risk is polygenic in nature suggesting that coding variation across many different genes will be a risk factor for SCZ in the population.

Caloric restriction is known to improve inflammatory and autoimmune diseases. However, the mechanisms by which reduced caloric intake modulates inflammation are poorly understood. Here we show that short-term fasting reduced monocyte metabolic and inflammatory activity and drastically reduced the number of circulating monocytes. Regulation of peripheral monocyte numbers was dependent on dietary glucose and protein levels. Specifically, we found that activation of the low-energy sensor 5′-AMP-activated protein kinase (AMPK) in hepatocytes and suppression of systemic CCL2 production by peroxisome proliferator-activator receptor alpha (PPARα) reduced monocyte mobilization from the bone marrow. Importantly, while caloric restriction improves chronic inflammatory diseases, fasting did not compromise monocyte emergency mobilization during acute infectious inflammation and tissue repair. These results reveal that caloric intake and liver energy sensors dictate the blood and tissue immune tone and link dietary habits to inflammatory disease outcome.

Microglia, the brain resident macrophages, critically shape forebrain neuronal circuits. However, their precise function in the cerebellum is unknown. Here we show that human and mouse cerebellar microglia express a unique molecular program distinct from forebrain microglia. Cerebellar microglial identity was driven by the CSF-1R ligand CSF-1, independently of the alternate CSF-1R ligand, IL-34. Accordingly, CSF-1 depletion from Nestin+ cells led to severe depletion and transcriptional alterations of cerebellar microglia, while microglia in the forebrain remained intact. Strikingly, CSF-1 deficiency and alteration of cerebellar microglia were associated with reduced Purkinje cells, altered neuronal function, and defects in motor learning and social novelty interactions. These findings reveal a novel CSF-1-CSF-1R signaling-mediated mechanism that contributes to motor function and social behavior.

SUMMARY Increasing evidence indicates oncogenes and tumor suppressors not only influence cell fitness but can also control the immunophenotype of cells. Here, we examined how 34 commonly mutated genes in colorectal cancer (CRC) may influence the expression of 8 key immunomodulatory proteins. To do this, we employed a functional genomics approach utilizing Pro-Code/CRISPR libraries for high-dimensional analysis. We introduced a library of 102 Pro-Code/gRNA combinations, targeting each of the 34 genes, in CT26 cells, a CRC cell model, and measured the expression of each of the immunomodulatory proteins by CyTOF mass cytometry. Notably, cells carrying a Pro-Code/CRISPR targeting the Trp53 lost expression of the immune co-stimulatory molecule CD80. Validation confirmed that Trp53 knockout resulted in the loss of CD80 and that activation of P53, through DNA damage or stabilization, resulted in CD80 upregulation. P53 ChIP-seq identified the CD80 promoter as a direct target of P53. CD80 regulation by P53 was identified in other cells, including normal epithelial cells and macrophages. Functionally, CD80 reduction caused by P53 loss led to a reduced capacity for CRC to prime antigen-specific T cells. These studies establish CD80, a canonical co-stimulatory molecule, as a direct target of the tumor suppressor and DNA damage response gene, P53.