Abstract High fecundity, transparent embryos for monitoring the rapid development of organs and the availability of a well-annotated genome has made zebrafish a model organism of choice for developmental biology and neurobiology. This vertebrate model, a favourite in chronobiology studies, shows striking circadian rhythmicity in behaviour. Here, we identify novel genes in the zebrafish genome, which shows their expression in the zebrafish retina. We further resolve the expression pattern over time and assign specific novel transcripts to the retinal cell type, predominantly in the inner nuclear layer. Using chemical ablation and free run experiments we segregate the transcripts that are rhythmic when entrained by light from those that show sustained oscillations in the absence of external cues. The transcripts reported here with rigorous annotation and specific functions in circadian biology provide the groundwork for functional characterisation of novel players in the zebrafish retinal clock.

Abstract The clinical success of CRISPR therapies hinges on the safety and efficacy of Cas proteins. The Cas9 from Francisella novicida (FnCas9) is highly precise, with a negligible affinity for mismatched substrates, but its low cellular targeting efficiency limits therapeutic use. Here, we rationally engineer the protein to develop enhanced FnCas9 (enFnCas9) variants and broaden their accessibility across human genomic sites by ~3.5-fold. The enFnCas9 proteins with single mismatch specificity expanded the target range of FnCas9-based CRISPR diagnostics to detect the pathogenic DNA signatures. They outperform Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) and its engineered derivatives in on-target editing efficiency, knock-in rates, and off-target specificity. enFnCas9 can be combined with extended gRNAs for robust base editing at sites which are inaccessible to PAM-constrained canonical base editors. Finally, we demonstrate an RPE65 mutation correction in a Leber congenital amaurosis 2 (LCA2) patient-specific iPSC line using enFnCas9 adenine base editor, highlighting its therapeutic utility.

Abstract Nucleic acid detection and variant calling through CRISPR-based diagnostics (CRISPRDx) has facilitated clinical decision-making, particularly during the COVID-19 pandemic. This has been further accelerated through the discovery of newer and engineered CRISPR effectors, expanding the portfolio of such diagnostic applications to a wide variety of pathogenic and non-pathogenic conditions. However, each diagnostic CRISPR pipeline requires customized detection schemes originating from fundamental principles of the Cas protein used, its guide RNA (gRNA) design parameters, and the assay readout. This is particularly relevant for variant detection, an attractive low-cost alternative to sequencing-based approaches for which no in silico pipeline for the ready-to-use design of CRISPR-based diagnostics currently exists. In this manuscript, we fill this lacuna using a unified webserver CriSNPr (CRISPR based SNP recognition), which provides the user the opportunity to de-novo design gRNAs based on six CRISPRDx proteins of choice ( Fn/enFn Cas9, Lw Cas13a, Lb Cas12a, Aa Cas12b, and Cas14a) and query for ready-to-use oligonucleotide sequences for validation on relevant samples. In addition, we provide a database of curated pre-designed gRNAs and target/off-target for all human and SARS-CoV-2 variants reported so far. CriSNPr has been validated on multiple Cas proteins and highlights its broad and immediate scope of utilization across multiple detection platforms. CriSNPr is available at URL http://crisnpr.igib.res.in/ .

Abstract The COVID-19 pandemic caused by SARS-CoV-2 has caused millions of infections and deaths worldwide. Limited treatment options and the threat from emerging variants underline the need for novel and widely accessible therapeutics. G-quadruplexes (G4s) are nucleic acid secondary structures known to affect many cellular processes including viral replication and transcription. We identified heretofore not reported G4s with remarkably low mutation frequency across >5 million SARS-CoV-2 genomes. The G4 structure was targeted using FDA-approved drugs that can bind G4s - Chlorpromazine (CPZ) and Prochlorperazine (PCZ). We found significant inhibition in lung pathology and lung viral load of SARS-CoV-2 challenged hamsters when treated with CPZ, PCZ that was comparable to the widely used antiviral drug Remdesivir. In support, in vitro G4 binding, inhibition of reverse transcription from RNA isolated from COVID-infected humans, and attenuated viral replication and infectivity in Vero cell cultures were clear in case of both CPZ/PCZ. Apart from the wide accessibility of CPZ/PCZ, targeting relatively invariant nucleic acid structures poses an attractive strategy against fast mutating viruses like SARS-CoV-2.

Detection of pathogenic sequences or variants in DNA and RNA through a point-of-care diagnostic approach is valuable for rapid clinical prognosis. In recent times, CRISPR based detection of nucleic acids have provided an economical and quicker alternative to sequencing-based platforms which are often difficult to implement in the field. Here, we present FnCas9 Editor Linked Uniform Detection Assay (FELUDA) that employs a highly accurate enzymatic readout for detecting nucleotide sequences, identifying nucleobase identity and inferring zygosity with precision. We demonstrate that FELUDA output can be adapted to multiple signal detection platforms and can be quickly designed and deployed for versatile applications including rapid diagnosis during infectious disease outbreaks like COVID-19.### Competing Interest StatementD.C., S.M., M.A., R.P., A.S.A, D.S., N.S. and S.S. are authors in provisional patent applications that have been filed in relation to this work.

Locus-specific interrogation of the genome using programmable CRISPR-based technologies is tremendously useful in dissecting the molecular basis of target gene function and modulating its downstream output. Although these tools are widely utilized in recruiting genetically encoded functional proteins, display of small molecules using this technique is not well developed due to inadequate labeling technologies. Here, we report the development of a modular technology, sgRNA-Click (sgR-CLK), which harnesses the power of bioorthogonal click chemistry for remodeling CRISPR to display synthetic molecules on target genes. A terminal uridylyl transferase (TUTase) was repurposed to construct an sgRNA containing multiple minimally invasive bioorthogonal clickable handles, which served as a Trojan horse on CRISPR-dCas9 system to guide synthetic tags site-specifically on chromatin employing copper-catalyzed or strain-promoted click reactions. Our results demonstrate that sgR-CLK could provide a simplified solution for site-directed display of small molecules to study as well as modulate the function of gene targets.

miRNAs are key non-protein coding regulators of gene expression in various pathophysiological conditions. Targeting miRNA with small molecules offer an unconventional approach, where clinically active compounds with RNA binding activity can be tested for their ability to modulate miRNA levels and thus for drug repositioning. Aminoglycoside antibiotics are highly effective microbicidal RNA binding molecules that bind to prokaryotic rRNA secondary structures. Here, we report that specific subsets of miRNA can be modulated by aminoglycosides. However, ototoxicity (cochlear and vestibular) and nephrotoxicity of multiple origins resulting from prolonged use are a well-known disadvantage of aminoglycosides. Mature non-coding RNAs and their precursors can present off-target sites, by forming secondary structures that resemble ribosomal RNA, thus providing an additional molecular basis for the toxicity of aminoglycosides. Using in vitro, in cellulae and physiological responses, we provide evidence for the direct functional perturbation of the miR-96 cluster leading to selective cell death in neuromasts - the zebrafish equivalent of cochlear hair cells - by Streptomycin, a prototype aminoglycoside antibiotic, thus contributing to the observed ototoxicity. Our observations, collectively underscore the importance of re-evaluating RNA binding drugs for their off-targeting effects in the context of miRNA and other functional non-coding RNA.

Abstract Embryonic stem (ES) cells retain the ability to undergo lineage-specific differentiation that can eventually give rise to different cell types that constitute an organism. Although stem cell specific biological networks of transcription factors and epigenetic modifiers are well established, how the ES cell specific transcriptional and alternative splicing (AS) machinery regulate their expression has not been sufficiently explored. In this study, we show that the lncRNA associated protein TOBF1 regulates the co-transcriptional alternative splicing of transcripts necessary for maintaining stem cell identity in mouse ES cells. Overlaying information derived from TOBF1 chromatin occupancy, the distribution of its pluripotency-associated OCT-SOX binding motifs, and transcripts undergoing differential expression and alternative splicing upon its disruption unmasked local nuclear territories where these distinct events converge, ultimately leading to the maintenance of mouse ES cell identity.

Genome editing using the CRISPR Cas9 system has been used to manipulate eukaryotic DNA and make precise heritable changes. Although the widely used Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9) and its engineered variants have been efficiently harnessed for numerous gene-editing applications across different platforms, concerns remain, regarding their putative off targeting at multiple loci across the genome. Here we report that Francisella novicida Cas9 (FnCas9) shows a very high specificity of binding to its intended targets and negligible binding to off-target loci. The specificity is determined by its minimal binding affinity with DNA when mismatches to the target sgRNA are present in the sgRNA:DNA heteroduplex. FnCas9 produces staggered cleavage, higher HDR rates and very low non-specific genome editing compared to SpCas9. We demonstrate FnCas9 mediated correction of the sickle cell mutation in patient derived iPSCs and propose that it can be used for precise therapeutic genome editing for a wide variety of genetic disorders.SIGNIFICANCE STATEMENT Therapeutic genome editing has been significantly accentuated by the advent of CRISPR based gene correction. However, genomic off-targeting has been a major setback for clinical translation. Although high fidelity versions of Cas9 have been rationally designed, they recognize and bind to off-targets. In this study, we characterize a naturally occurring Cas9 from Francisella novicida (FnCas9) that shows negligible binding affinity to off targets differing by one or more mismatches, rendering it highly specific in target recognition and editing. We show that FnCas9 can direct both HDR and NHEJ mediated DNA repair, generates higher rate of HDR and negligible off-target editing. Finally we show its potential in therapeutic genome editing by correcting the sickle cell anemia mutation in patient derived iPSCs.

Protein adopts multitude of flexible and rapidly interconverting conformers, many which are governed by specific protein-interaction domains. ApoA1, a key player involved in high-density lipoprotein (HDL) regulation exists in structurally diverse forms with varying degree of cholesterol association, and each state is associated with different functional properties. While disc-shaped HDL and its oligomeric ApoA1 protein components have been the focus of several investigations, structural properties of monomeric ApoA1 are poorly understood. Here, we undertook large-scale structural analysis of ApoA1 in apo and cholesterol-bound forms using tens of independent simulations with total computing time exceeding 50 μs. Examination of multiple lipid-free trajectories of monomeric ApoA1 revealed a common conformation, with distinct spatial proximity between N- and C-terminal domains. With incorporation of physiologically known cholesterol concentration (~100 cholesterol molecules) in ApoA1 simulations, the monomeric protein spontaneously formed an open circular topology. Remarkably, these drastic structural perturbations are driven by specific binding site at C-terminal and a novel cholesterol binding site at the N-terminal. We proposed a mechanism of stage-wise opening of ApoA1 and demonstrated that less cholesterol concentration around interaction sites or mutation within N-terminal binding sites does not lead to open bell-shaped topology. The kinetic barriers between open- and closed-states also showed an ensemble of loosely packed helix bundle (H1-H7; H4-H7) that posed as a slow-intermediate step. Lastly we performed complementary experiments, including ITC and CD measurements to confirm that structural changes are induced by ligand association and not driven by random hydrophobic effect. Collectively, our study suggests a previously unknown mechanism of cholesterol sequestering by ApoA1 that could directly aid in developing modulators for cholesterol efflux with chronic cardiovascular diseases.