A general approach for heritably altering gene expression has the potential to enable many discovery and therapeutic efforts. Here, we present CRISPRoff-a programmable epigenetic memory writer consisting of a single dead Cas9 fusion protein that establishes DNA methylation and repressive histone modifications. Transient CRISPRoff expression initiates highly specific DNA methylation and gene repression that is maintained through cell division and differentiation of stem cells to neurons. Pairing CRISPRoff with genome-wide screens and analysis of chromatin marks establishes rules for heritable gene silencing. We identify single guide RNAs (sgRNAs) capable of silencing the large majority of genes including those lacking canonical CpG islands (CGIs) and reveal a wide targeting window extending beyond annotated CGIs. The broad ability of CRISPRoff to initiate heritable gene silencing even outside of CGIs expands the canonical model of methylation-based silencing and enables diverse applications including genome-wide screens, multiplexed cell engineering, enhancer silencing, and mechanistic exploration of epigenetic inheritance.

Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth and expansion to neighboring and distal tissues. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53(KP)-driven lung adenocarcinoma and tracked tumor evolution from single-transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that the loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by a transient increase in plasticity. This was followed by the adoption of distinct transcriptional programs that enable rapid expansion and, ultimately, clonal sweep of stable subclones capable of metastasizing. Finally, tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates progression by creating novel trajectories. Our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution and, more broadly, enables in-depth studies of tumor progression.

ABSTRACT Ribosome profiling (Ribo-seq) has catalyzed a paradigm shift in our understanding of the translational ‘vocabulary’ of the human genome, discovering thousands of translated open reading frames (ORFs) within long non-coding RNAs and presumed untranslated regions of protein-coding genes. However, reference gene annotation projects have been circumspect in their incorporation of these ORFs due to uncertainties about their experimental reproducibility and physiological roles. Yet, it is indisputable that certain Ribo-seq ORFs make stable proteins, others mediate gene regulation, and many have medical implications. Ultimately, the absence of standardized ORF annotation has created a circular problem: while Ribo-seq ORFs remain unannotated by reference biological databases, this lack of characterisation will thwart research efforts examining their roles. Here, we outline the initial stages of a community-led effort supported by GENCODE / Ensembl, HGNC and UniProt to produce a consolidated catalog of human Ribo-seq ORFs.

Abstract Elucidating the wiring diagram of the human cell is a central goal of the post-genomic era. We combined genome engineering, confocal live-cell imaging, mass spectrometry and data science to systematically map the localization and interactions of human proteins. Our approach provides a data-driven description of the molecular and spatial networks that organize the proteome. Unsupervised clustering of these networks delineates functional communities that facilitate biological discovery, and uncovers that RNA-binding proteins form a specific sub-group defined by unique interaction and localization properties. Furthermore, we discover that remarkably precise functional information can be derived from protein localization patterns, which often contain enough information to identify molecular interactions. Paired with a fully interactive website opencell.czbiohub.org, we provide a resource for the quantitative cartography of human cellular organization.

Abstract Cancer progression is characterized by rare, transient events which are nonetheless highly consequential to disease etiology and mortality. Detailed cell phylogenies can recount the history and chronology of these critical events – including metastatic seeding. Here, we applied our Cas9-based lineage tracer to study the subclonal dynamics of metastasis in a lung cancer xenograft mouse model, revealing the underlying rates, routes, and drivers of metastasis. We report deeply resolved phylogenies for tens of thousands of metastatically disseminated cancer cells. We observe surprisingly diverse metastatic phenotypes, ranging from metastasis-incompetent to aggressive populations. These phenotypic distinctions result from pre-existing, heritable, and characteristic differences in gene expression, and we demonstrate that these differentially expressed genes can drive invasiveness. Furthermore, metastases transit via diverse, multidirectional tissue routes and seeding topologies. Our work demonstrates the power of tracing cancer progression at unprecedented resolution and scale. One Sentence Summary Single-cell lineage tracing and RNA-seq capture diverse metastatic behaviors and drivers in lung cancer xenografts in mice.

SUMMARY Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth, expansion to neighboring and distal tissues, and therapeutic resistance. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53 (KP)-driven lung adenocarcinoma which enabled us to track tumor evolution from single transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by transient increase in plasticity. This was followed by adoption of distinct fitness-associated transcriptional programs which enable rapid expansion and ultimately clonal sweep of rare, stable subclones capable of metastasizing to distant sites. Finally, we showed that tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates tumor progression by creating novel evolutionary paths. Overall, our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution, and more broadly enables the in-depth study of tumor progression.

ABSTRACT Translation of mRNAs containing premature termination codons (PTCs) can result in truncated protein products with deleterious effects. Nonsense-mediated decay (NMD) is a surveillance path-way responsible for detecting and degrading PTC containing transcripts. While the molecular mechanisms governing mRNA degradation have been extensively studied, the fate of the nascent protein product remains largely uncharacterized. Here, we use a fluorescent reporter system in mammalian cells to reveal a selective degradation pathway specifically targeting the protein product of an NMD mRNA. We show that this process is post-translational, and dependent on an intact ubiquitin proteasome system. To systematically uncover factors involved in NMD-linked protein quality control, we conducted genome-wide flow cytometry-based screens. Our screens recovered known NMD factors, and suggested a lack of dependence on the canonical ribosome-quality control (RQC) pathway. Finally, one of the strongest hits in our screens was the E3 ubiquitin ligase CNOT4, a member of the CCR4-NOT complex, which is involved in initiating mRNA degradation. We show that CNOT4 is involved in NMD coupled protein degradation, and its role depends on a functional RING ubiquitin ligase domain. Our results demonstrate the existence of a targeted pathway for nascent protein degradation from PTC containing mRNAs, and provide a framework for identifying and characterizing factors involved in this process.

Human T cells are central to physiological immune homeostasis, which protects us from pathogens without collateral autoimmune inflammation. They are also the main effectors in most current cancer immunotherapy strategies 1 . Several decades of work have aimed to genetically reprogram T cells for therapeutic purposes 2–5 , but as human T cells are resistant to most standard methods of large DNA insertion these approaches have relied on recombinant viral vectors, which do not target transgenes to specific genomic sites 6, 7 . In addition, the need for viral vectors has slowed down research and clinical use as their manufacturing and testing is lengthy and expensive. Genome editing brought the promise of specific and efficient insertion of large transgenes into target cells through homology-directed repair (HDR), but to date in human T cells this still requires viral transduction 8, 9 . Here, we developed a non-viral, CRISPR-Cas9 genome targeting system that permits the rapid and efficient insertion of individual or multiplexed large (>1 kilobase) DNA sequences at specific sites in the genomes of primary human T cells while preserving cell viability and function. We successfully tested the potential therapeutic use of this approach in two settings. First, we corrected a pathogenic IL2RA mutation in primary T cells from multiple family members with monogenic autoimmune disease and demonstrated enhanced signalling function. Second, we replaced the endogenous T cell receptor ( TCR ) locus with a new TCR redirecting T cells to a cancer antigen. The resulting TCR-engineered T cells specifically recognized the tumour antigen, with concomitant cytokine release and tumour cell killing. Taken together, these studies provide preclinical evidence that non-viral genome targeting will enable rapid and flexible experimental manipulation and therapeutic engineering of primary human immune cells.

Abstract Single-cell RNA sequencing is now a standard method used to reveal the molecular details of cellular heterogeneity, but current approaches have limitations on speed, scale, and ease of use that stem from the complex microfluidic devices or fluid handling steps required for sample processing. We, therefore, developed a method that does not require specialized microfluidic devices, expertise, or hardware. Our approach is based on particle-templated emulsification, which allows single-cell encapsulation and barcoding of cDNA in uniform droplet emulsions with only a vortexer. PIP-seq accommodates a wide range of emulsification formats, including microwell plates and large-volume conical tubes, enabling thousands of samples or millions of cells to be processed in minutes. We demonstrate that PIP-seq produces high-purity transcriptomes in mouse-human mixing studies, is compatible with multi-omics measurements, and can accurately characterize cell types in human breast tissue when compared to a commercial microfluidic platform. Single-cell transcriptional profiling of mixed phenotype acute leukemia using PIP-seq revealed the emergence of heterogeneity within chemotherapy-resistant cell subsets that were hidden by standard immunophenotyping. PIP-seq is a simple, flexible, and scalable next-generation workflow that extends single-cell sequencing to new applications, including screening, diagnostics, and disease monitoring.