CRISPR screens are a powerful source of biological discovery, enabling the unbiased interrogation of gene function in a wide range of applications and species. In pooled CRISPR screens, various genetically encoded perturbations are introduced into pools of cells. The targeted cells proliferate under a biological challenge such as cell competition, drug treatment or viral infection. Subsequently, the perturbation-induced effects are evaluated by sequencing-based counting of the guide RNAs that specify each perturbation. The typical results of such screens are ranked lists of genes that confer sensitivity or resistance to the biological challenge of interest. Contributing to the broad utility of CRISPR screens, adaptations of the core CRISPR technology make it possible to activate, silence or otherwise manipulate the target genes. Moreover, high-content read-outs such as single-cell RNA sequencing and spatial imaging help characterize screened cells with unprecedented detail. Dedicated software tools facilitate bioinformatic analysis and enhance reproducibility. CRISPR screening has unravelled various molecular mechanisms in basic biology, medical genetics, cancer research, immunology, infectious diseases, microbiology and other fields. This Primer describes the basic and advanced concepts of CRISPR screening and its application as a flexible and reliable method for biological discovery, biomedical research and drug development — with a special emphasis on high-content methods that make it possible to obtain detailed biological insights directly as part of the screen. CRISPR screening is a high-throughput approach for identifying genes, pathways and mechanisms involved in a given phenotype or biological process. High-content read-outs of these screens, such as imaging and single-cell sequencing techniques, have further broadened its applicability. This Primer by Bock et al. describes the main concepts of CRISPR screening and gives examples of its application as a method for biological discovery, with a focus on the use of high-content read-outs.

Abstract DNA is naturally well-suited to serve as a digital medium for in vivo molecular recording. However, DNA-based memory devices described to date are constrained in terms of the number of distinct signals that can be concurrently recorded and/or by a failure to capture the precise order of recorded events 1 . Here we describe DNA Ticker Tape, a general system for in vivo molecular recording that largely overcomes these limitations. Blank DNA Ticker Tape consists of a tandem array of partial CRISPR-Cas9 target sites, with all but the first site truncated at their 5’ ends, and therefore inactive. Signals of interest are coupled to the expression of specific prime editing guide RNAs 2 . Editing events are insertional, and record the identity of the guide RNA mediating the insertion while also shifting the position of the “write head” by one unit along the tandem array, i.e. sequential genome editing. In this proof-of-concept of DNA Ticker Tape, we demonstrate the recording and decoding of complex event histories or short text messages; evaluate the performance of dozens of orthogonal tapes; and construct “long tape” potentially capable of recording the order of as many as 20 serial events. Finally, we demonstrate how DNA Ticker Tape simplifies the decoding of cell lineage histories.

Abstract Gene regulation occurs through trans -acting factors ( e.g. transcription factors) acting on cis -regulatory elements ( e.g. enhancers). Massively parallel reporter assays (MPRAs) functionally survey large numbers of cis -regulatory elements for regulatory potential, but do not identify the trans -acting factors that mediate any observed effects. Here we describe trans MPRA — a reporter assay that efficiently combines multiplex CRISPR-mediated perturbation and MPRAs to identify trans- acting factors that modulate the regulatory activity of specific enhancers.

Abstract Technologies that precisely delete genomic sequences in a programmed fashion can be used to study function as well as potentially for gene therapy. The leading contemporary method for programmed deletion uses CRISPR/Cas9 and pairs of guide RNAs (gRNAs) to generate two nearby double-strand breaks, which is often followed by deletion of the intervening sequence during DNA repair. However, this approach can be inefficient and imprecise, with errors including small indels at the two target sites as well as unintended large deletions and more complex rearrangements. Here we describe a prime editing-based method that we term PRIME-Del , which induces a deletion using a pair of prime editing gRNAs (pegRNAs) that target opposite DNA strands, effectively programming not only the sites that are nicked but also the outcome of the repair. We demonstrate that PRIME-Del achieves markedly higher precision in programming deletions than CRISPR/Cas9 and gRNA pairs. We also show that PRIME-Del can be used to couple genomic deletions with short insertions, enabling deletions whose junctions do not fall at protospacer-adjacent motif (PAM) sites. Finally, we demonstrate that lengthening the time window of expression of prime editing components can substantially enhance efficiency without compromising precision. We anticipate that PRIME-Del will be broadly useful in enabling precise, flexible programming of genomic deletions, including in-frame deletions, as well as for epitope tagging and potentially for programming rearrangements.

Abstract CRISPR-based gene activation (CRISPRa) is a promising therapeutic approach for gene therapy, upregulating gene expression by targeting promoters or enhancers in a tissue/cell-type specific manner. Here, we describe an experimental framework that combines highly multiplexed perturbations with single-cell RNA sequencing (sc-RNA-seq) to identify cell-type-specific, CRISPRa-responsive cis- regulatory elements and the gene(s) they regulate. Random combinations of many gRNAs are introduced to each of many cells, which are then profiled and partitioned into test and control groups to test for effect(s) of CRISPRa perturbations of both enhancers and promoters on the expression of neighboring genes. Applying this method to candidate cis- regulatory elements in both K562 cells and iPSC-derived excitatory neurons, we identify gRNAs capable of specifically and potently upregulating target genes, including autism spectrum disorder (ASD) and neurodevelopmental disorder (NDD) risk genes. A consistent pattern is that the responsiveness of individual enhancers to CRISPRa is restricted by cell type, implying a dependency on either chromatin landscape and/or additional trans- acting factors for successful gene activation. The approach outlined here may facilitate large-scale screens for gRNAs that activate therapeutically relevant genes in a cell type-specific manner.

Prime editing is a powerful means of introducing precise changes to specific locations in mammalian genomes. However, the widely varying efficiency of prime editing across target sites of interest has limited its adoption in the context of both basic research and clinical settings. Here, we set out to exhaustively characterize the impact of the cis- chromatin environment on prime editing efficiency. Using a newly developed and highly sensitive method for mapping the genomic locations of a randomly integrated "sensor", we identify specific epigenetic features that strongly correlate with the highly variable efficiency of prime editing across different genomic locations. Next, to assess the interaction of trans -acting factors with the cis -chromatin environment, we develop and apply a pooled genetic screening approach with which the impact of knocking down various DNA repair factors on prime editing efficiency can be stratified by cis -chromatin context. Finally, we demonstrate that we can dramatically modulate the efficiency of prime editing through epigenome editing, i.e. altering chromatin state in a locus-specific manner in order to increase or decrease the efficiency of prime editing at a target site. Looking forward, we envision that the insights and tools described here will broaden the range of both basic research and therapeutic contexts in which prime editing is useful.

Abstract CRISPR-based genome editing has revolutionized functional genomics, enabling screens in which thousands of perturbations of either gene expression or primary genome sequence can be competitively assayed in single experiments. However, for libraries of specific mutations, a challenge of CRISPR-based screening methods such as saturation genome editing is that only one region ( e.g. one exon) can be studied per experiment. Here we describe prime-SGE (“prime saturation genome editing”), a new framework based on prime editing, in which libraries of specific mutations can be installed into genes throughout the genome and functionally assessed in a single, multiplex experiment. Prime-SGE is based on quantifying the abundance of prime editing guide RNAs (pegRNAs) in the context of a functional selection, rather than quantifying the mutations themselves. We apply prime-SGE to assay thousands of single nucleotide changes in eight oncogenes for their ability to confer drug resistance to three EGFR tyrosine kinase inhibitors. Although currently restricted to positive selection screens by the limited efficiency of prime editing, our strategy opens the door to the possibility of functionally assaying vast numbers of precise mutations at locations throughout the genome.