Nucleic acid detection by isothermal amplification and the collateral cleavage of reporter molecules by CRISPR-associated enzymes is a promising alternative to quantitative PCR. Here, we report the clinical validation of the specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking (SHERLOCK) assay using the enzyme Cas13a from Leptotrichia wadei for the detection of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)—the virus that causes coronavirus disease 2019 (COVID-19)—in 154 nasopharyngeal and throat swab samples collected at Siriraj Hospital, Thailand. Within a detection limit of 42 RNA copies per reaction, SHERLOCK was 100% specific and 100% sensitive with a fluorescence readout, and 100% specific and 97% sensitive with a lateral-flow readout. For the full range of viral load in the clinical samples, the fluorescence readout was 100% specific and 96% sensitive. For 380 SARS-CoV-2-negative pre-operative samples from patients undergoing surgery, SHERLOCK was in 100% agreement with quantitative PCR with reverse transcription. The assay, which we show is amenable to multiplexed detection in a single lateral-flow strip incorporating an internal control for ribonuclease contamination, should facilitate SARS-CoV-2 detection in settings with limited resources. The specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking (SHERLOCK) assay detected severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) RNA with high sensitivity and specificity in hundreds of nasopharyngeal and throat swab samples collected at Siriraj Hospital in Thailand.

Δ 9 -Tetrahydrocannabinol (THC), the psychoactive component of marijuana, and other direct cannabinoid receptor (CB1) agonists produce a number of neurobehavioral effects in mammals that range from the beneficial (analgesia) to the untoward (abuse potential). Why, however, this full spectrum of activities is not observed upon pharmacological inhibition or genetic deletion of either fatty acid amide hydrolase (FAAH) or monoacylglycerol lipase (MAGL), enzymes that regulate the two major endocannabinoids anandamide (AEA) and 2-arachidonoylglycerol (2-AG), respectively, has remained unclear. Here, we describe a selective and efficacious dual FAAH/MAGL inhibitor, JZL195, and show that this agent exhibits broad activity in the tetrad test for CB1 agonism, causing analgesia, hypomotilty, and catalepsy. Comparison of JZL195 to specific FAAH and MAGL inhibitors identified behavioral processes that were regulated by a single endocannabinoid pathway (e.g., hypomotility by the 2-AG/MAGL pathway) and, interestingly, those where disruption of both FAAH and MAGL produced additive effects that were reversed by a CB1 antagonist. Falling into this latter category was drug discrimination behavior, where dual FAAH/MAGL blockade, but not disruption of either FAAH or MAGL alone, produced THC-like responses that were reversed by a CB1 antagonist. These data indicate that AEA and 2-AG signaling pathways interact to regulate specific behavioral processes in vivo, including those relevant to drug abuse, thus providing a potential mechanistic basis for the distinct pharmacological profiles of direct CB1 agonists and inhibitors of individual endocannabinoid degradative enzymes.

Controlled tissue fixation with polyepoxides protects protein fluorescence, antigenicity, nucleic acids and tissue architecture. Understanding complex biological systems requires the system-wide characterization of both molecular and cellular features. Existing methods for spatial mapping of biomolecules in intact tissues suffer from information loss caused by degradation and tissue damage. We report a tissue transformation strategy named stabilization under harsh conditions via intramolecular epoxide linkages to prevent degradation (SHIELD), which uses a flexible polyepoxide to form controlled intra- and intermolecular cross-link with biomolecules. SHIELD preserves protein fluorescence and antigenicity, transcripts and tissue architecture under a wide range of harsh conditions. We applied SHIELD to interrogate system-level wiring, synaptic architecture, and molecular features of virally labeled neurons and their targets in mouse at single-cell resolution. We also demonstrated rapid three-dimensional phenotyping of core needle biopsies and human brain cells. SHIELD enables rapid, multiscale, integrated molecular phenotyping of both animal and clinical tissues.

Abstract Most deaths from cancer are explained by metastasis, and yet large-scale metastasis research has been impractical owing to the complexity of in vivo models. Here we introduce an in vivo barcoding strategy that is capable of determining the metastatic potential of human cancer cell lines in mouse xenografts at scale. We validated the robustness, scalability and reproducibility of the method and applied it to 500 cell lines 1,2 spanning 21 types of solid tumour. We created a first-generation metastasis map (MetMap) that reveals organ-specific patterns of metastasis, enabling these patterns to be associated with clinical and genomic features. We demonstrate the utility of MetMap by investigating the molecular basis of breast cancers capable of metastasizing to the brain—a principal cause of death in patients with this type of cancer. Breast cancers capable of metastasizing to the brain showed evidence of altered lipid metabolism. Perturbation of lipid metabolism in these cells curbed brain metastasis development, suggesting a therapeutic strategy to combat the disease and demonstrating the utility of MetMap as a resource to support metastasis research.

Eukaryotic genomes contain domesticated genes from integrating viruses and mobile genetic elements. Among these are homologs of the capsid protein (known as Gag) of long terminal repeat (LTR) retrotransposons and retroviruses. We identified several mammalian Gag homologs that form virus-like particles and one LTR retrotransposon homolog, PEG10, that preferentially binds and facilitates vesicular secretion of its own messenger RNA (mRNA). We showed that the mRNA cargo of PEG10 can be reprogrammed by flanking genes of interest with Peg10's untranslated regions. Taking advantage of this reprogrammability, we developed selective endogenous encapsidation for cellular delivery (SEND) by engineering both mouse and human PEG10 to package, secrete, and deliver specific RNAs. Together, these results demonstrate that SEND is a modular platform suited for development as an efficient therapeutic delivery modality.

Significance Genome editing technologies enable the permanent repair of disease-causing genetic mutations. However, the application of this technology has been limited by the technical challenge of achieving safe, effective, and specific in vivo delivery of the CRISPR-Cas9 genome editing components. Here, we report the development of a newly identified lipid nanoparticle (LNP) for specific delivery of CRISPR-Cas9 mRNA to the liver. While LNPs have been FDA approved for delivery of siRNA to the liver, here we examine their application for genome editing. When compared head-to-head, our delivery platform significantly outperforms the FDA-approved LNP in the efficient delivery of Cas9 mRNA for knockdown of the Angptl3 gene and subsequent regulation of hypercholesterolemia, while matching the safety and specificity of the approved platform.

The number of disease risk genes and loci identified through human genetic studies far outstrips the capacity to systematically study their functions. We applied a scalable genetic screening approach, in vivo Perturb-Seq, to functionally evaluate 35 autism spectrum disorder/neurodevelopmental delay (ASD/ND) de novo loss-of-function risk genes. Using CRISPR-Cas9, we introduced frameshift mutations in these risk genes in pools, within the developing mouse brain in utero, followed by single-cell RNA-sequencing of perturbed cells in the postnatal brain. We identified cell type-specific and evolutionarily conserved gene modules from both neuronal and glial cell classes. Recurrent gene modules and cell types are affected across this cohort of perturbations, representing key cellular effects across sets of ASD/ND risk genes. In vivo Perturb-Seq allows us to investigate how diverse mutations affect cell types and states in the developing organism.

To gain insight into how researchers of aging perceive the process they study, we conducted a survey among experts in the field. While highlighting some common features of aging, the survey exposed broad disagreement on the foundational issues. What is aging? What causes it? When does it begin? What constitutes rejuvenation? Not only was there no consensus on these and other core questions, but none of the questions received a majority opinion-even regarding the need for consensus itself. Despite many researchers believing they understand aging, their understanding diverges considerably. Importantly, as different processes are labeled as "aging" by researchers, different experimental approaches are prioritized. The survey shed light on the need to better define which aging processes this field should target and what its goals are. It also allowed us to categorize contemporary views on aging and rejuvenation, revealing critical, yet largely unanswered, questions that appear disconnected from the current research focus. Finally, we discuss ways to address the disagreement, which we hope will ultimately aid progress in the field.

Brain metastasis, a serious complication of cancer, hinges on the initial survival, microenvironment adaptation, and outgrowth of disseminated cancer cells. To understand the early stages of brain colonization, we investigated two prevalent sources of cerebral relapse, triple-negative (TNBC) and HER2+ (HER2BC) breast cancers. Using mouse models and human tissue samples, we found that these tumor types colonize the brain, with a preference for distinctive tumor architectures, stromal interfaces, and autocrine programs. TNBC models tend to form perivascular sheaths with diffusive contact with astrocytes and microglia. In contrast, HER2BC models tend to form compact spheroids driven by autonomous tenascin C production, segregating stromal cells to the periphery. Single-cell transcriptomics of the tumor microenvironment revealed that these architectures evoke differential Alzheimer's disease-associated microglia (DAM) responses and engagement of the GAS6 receptor AXL. The spatial features of the two modes of brain colonization have relevance for leveraging the stroma to treat brain metastasis.

ABSTRACT In the neocortex, oligodendrocytes produce distinct amounts of myelin in each cortical layer and along the axons of individual neuron types. Here we present a comprehensive single-cell molecular map of mouse cortical oligodendrocytes across different cortical layers and stages of myelination, spanning the initiation of cortical myelination into adulthood. We apply this dataset to show that neuron-class specific signals drive oligodendrocyte maturation and differential myelination across cortical layers. We find that each layer contains a similar compendium of oligodendrocyte classes, indicating that oligodendrocyte heterogeneity cannot explain layer-specific myelination. To evaluate whether neuronal diversity drives differential myelination across cortical layers, we generated a predicted ligand-receptor interactome between projection neuron types and oligodendrocyte states, across cortical layers and time. In vivo functional testing identified Fgf18 , Ncam1 , and Rspo3 as novel, neuron-derived pro-myelinating signals. Our results highlight neuron-class-dependent control of myelin distribution in the neocortex.