Modern protein crystal structures are based nearly exclusively on X-ray data collected at cryogenic temperatures (generally 100 K). The cooling process is thought to introduce little bias in the functional interpretation of structural results, because cryogenic temperatures minimally perturb the overall protein backbone fold. In contrast, here we show that flash cooling biases previously hidden structural ensembles in protein crystals. By analyzing available data for 30 different proteins using new computational tools for electron-density sampling, model refinement, and molecular packing analysis, we found that crystal cryocooling remodels the conformational distributions of more than 35% of side chains and eliminates packing defects necessary for functional motions. In the signaling switch protein, H-Ras, an allosteric network consistent with fluctuations detected in solution by NMR was uncovered in the room-temperature, but not the cryogenic, electron-density maps. These results expose a bias in structural databases toward smaller, overpacked, and unrealistically unique models. Monitoring room-temperature conformational ensembles by X-ray crystallography can reveal motions crucial for catalysis, ligand binding, and allosteric regulation.

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.

Abstract SARS-CoV-2 infection of human cells is initiated by the binding of the viral Spike protein to its cell-surface receptor ACE2. We conducted a targeted CRISPRi screen to uncover druggable pathways controlling Spike protein binding to human cells. We found that the protein BRD2 is required for ACE2 transcription in human lung epithelial cells and cardiomyocytes, and BRD2 inhibitors currently evaluated in clinical trials potently block endogenous ACE2 expression and SARS-CoV-2 infection of human cells, including those of human nasal epithelia. Moreover, pharmacological BRD2 inhibition with the drug ABBV-744 inhibited SARS-CoV-2 replication in Syrian hamsters. We also found that BRD2 controls transcription of several other genes induced upon SARS-CoV-2 infection, including the interferon response, which in turn regulates the antiviral response. Together, our results pinpoint BRD2 as a potent and essential regulator of the host response to SARS-CoV-2 infection and highlight the potential of BRD2 as a novel therapeutic target for COVID-19.

SUMMARY Tauopathies are age-associated neurodegenerative diseases whose mechanistic underpinnings remain elusive, partially due to lack of appropriate human models. Current human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neurons express very low levels of 4-repeat (4R)-tau isoforms that are normally expressed in adult brain. Here, we engineered new iPSC lines to express 4R-tau and 4R-tau carrying the P301S MAPT mutation when differentiated into neurons. 4R-P301S neurons display progressive Tau inclusions upon seeding with Tau fibrils and recapitulate features of tauopathy phenotypes, including shared transcriptomic signatures, autophagic body accumulation, and impaired neuronal activity. A CRISPRi screen of genes associated with Tau pathobiology identified over 500 genetic modifiers of Tau-seeding-induced Tau propagation, including retromer VPS29 and the UFMylation cascade as top modifiers. In AD brains, the UFMylation cascade is altered in neurofibrillary-tangle-bearing neurons. Inhibiting the UFMylation cascade suppressed seeding-induced Tau propagation. This model provides a powerful platform to identify novel therapeutic strategies for 4R tauopathy.

The sheer complexity of the brain has complicated our ability to understand its cellular mechanisms in health and disease. Genome-wide association studies have uncovered genetic variants associated with specific neurological phenotypes and diseases. In addition, single-cell transcriptomics have provided molecular descriptions of specific brain cell types and the changes they undergo during disease. Although these approaches provide a giant leap forward towards understanding how genetic variation can lead to functional changes in the brain, they do not establish molecular mechanisms. To address this need, we developed a 3D co-culture system termed iAssembloids (induced multi-lineage assembloids) that enables the rapid generation of homogenous neuron-glia spheroids. We characterize these iAssembloids with immunohistochemistry and single-cell transcriptomics and combine them with large-scale CRISPRi-based screens. In our first application, we ask how glial and neuronal cells interact to control neuronal death and survival. Our CRISPRi-based screens identified that GSK3β inhibits the protective NRF2-mediated oxidative stress response in the presence of reactive oxygen species elicited by high neuronal activity, which was not previously found in 2D monoculture neuron screens. We also apply the platform to investigate the role of APOE-ϵ4, a risk variant for Alzheimer's Disease, in its effect on neuronal survival. This platform expands the toolbox for the unbiased identification of mechanisms of cell-cell interactions in brain health and disease.

Abstract Tau aggregation is a hallmark of several neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease and frontotemporal dementia. There are disease-causing variants of the tau-encoding gene, MAPT , and the presence of tau aggregates is highly correlated with disease progression. However, the molecular mechanisms linking pathological tau to neuronal dysfunction are not well understood due to our incomplete understanding of the normal functions of tau in development and aging and how these processes change in the context of causal disease variants of tau. To address these questions in an unbiased manner, we conducted multi-omic characterization of iPSC-derived neurons harboring the MAPT V337M mutation. RNA-seq and phosphoproteomics revealed that both V337M tau and tau knockdown consistently perturbed levels of transcripts and phosphorylation of proteins related to axonogenesis or axon morphology. Surprisingly, we found that neurons with V337M tau had much lower tau phosphorylation than neurons with WT tau. We conducted functional genomics screens to uncover regulators of tau phosphorylation in neurons and found that factors involved in axonogenesis modified tau phosphorylation in both MAPT WT and MAPT V337M neurons. Intriguingly, the p38 MAPK pathway specifically modified tau phosphorylation in MAPT V337M neurons. We propose that V337M tau might perturb axon morphology pathways and tau hypophosphorylation via a “loss of function” mechanism, which could contribute to previously reported cognitive changes in preclinical MAPT gene carriers.

A hallmark of age-associated neurodegenerative diseases is the aggregation of proteins. Aggregation of the protein tau defines tauopathies, which include Alzheimer's disease and frontotemporal dementia. Specific neuronal subtypes are selectively vulnerable to the accumulation of tau aggregates, and subsequent dysfunction and death. The mechanisms underlying cell type-selective vulnerability are unknown. To systematically uncover the cellular factors controlling the accumulation of tau aggregates in human neurons, we conducted a genome-wide CRISPRi-based modifier screen in iPSC-derived neurons. The screen uncovered expected pathways, including autophagy, but also unexpected pathways, including UFMylation and GPI anchor synthesis, that control tau oligomer levels. The E3 CUL5 ubiquitin ligase is a potent modifier of tau levels, and directly interacts with tau. Disruption of mitochondrial function increases tau oligomer levels and promotes proteasomal misprocessing of tau. These results reveal new principles of tau proteostasis in human neurons and pinpoint potential therapeutic targets for tauopathies.

Innovative new crystallographic methods are facilitating structural studies from ever smaller crystals of biological macromolecules. In particular, serial X-ray crystallography and microcrystal electron diffraction (MicroED) have emerged as useful methods for obtaining structural information from crystals on the nanometer to micron scale. Despite the utility of these methods, their implementation can often be difficult, as they present many challenges not encountered in traditional macromolecular crystallography experiments. Here, we describe XFEL serial crystallography experiments and MicroED experiments using batch-grown microcrystals of the enzyme cyclophilin A (CypA). Our results provide a roadmap for researchers hoping to design macromolecular microcrystallography experiments, and they highlight the strengths and weaknesses of the two methods. Specifically, we focus on how the different physical conditions imposed by the sample preparation and delivery methods required for each type of experiment effect the crystal structure of the enzyme.

The health of a cell depends on accurate translation and proper protein folding; misfolding can lead to aggregation and disease. The first opportunity for a protein to fold occurs during translation, when the ribosome and surrounding environment can affect the energy landscape of the nascent chain. However, quantifying these environmental effects is challenging due to the ribosomal proteins and rRNA, which preclude most spectroscopic measurements of protein energetics. We have applied two gel-based approaches, pulse proteolysis and force-peptide arrest assays, to probe the folding and unfolding pathways of RNase H ribosome-stalled nascent chains. We find that ribosome-stalled RNase H has an increased unfolding rate compared to free RNase H, which completely accounts for observed changes in protein stability and indicates that the folding rate is unchanged. Using arrest peptide-based force-profile analysis, we assayed the force generated during the folding of RNase H on the ribosome. Surprisingly, we find that population of the RNase H folding intermediate is required to generate sufficient force to release the SecM stall and that readthrough of the stall sequence directly correlates with the stability of the folding intermediate. Together, these data imply that the folding pathway of RNase H is unchanged on the ribosome. Furthermore, our data indicate that the ribosome promotes unfolding while the nascent chain is proximal to the ribosome, which may limit the deleterious effects of misfolding and assist in folding fidelity.