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 In response to central nervous system injury or disease, astrocytes become reactive, adopting context-dependent states and functional outputs. Certain inflammatory insults induce reactive astrocytes that lose homeostatic functions and gain harmful outputs through cellular pathways that are not fully understood. Here, we combined single-cell transcriptomics with CRISPRi screening in human iPSC-derived astrocytes to systematically interrogate inflammatory astrocyte reactivity. We found that autocrine-paracrine IL-6 and interferon signaling downstream of canonical NF-κB activation drove two distinct inflammatory reactive signatures – one promoted by and the other inhibited by STAT3. These signatures overlapped with those observed in other experimental contexts, including mouse models, and their markers were upregulated in the human brain in Alzheimer’s disease and hypoxic ischemic encephalopathy. Furthermore, we validated that these signatures were regulated by Stat3 in vivo. These results and the platform we established have the potential to guide the development of therapeutics to selectively modulate different aspects of inflammatory astrocyte reactivity.

ABSTRACT Microglia are emerging as key drivers of neurological diseases. However, we lack a systematic understanding of the underlying mechanisms. Here, we present a screening platform to systematically elucidate functional consequences of genetic perturbations in human iPSC-derived microglia. We developed an efficient eight-day protocol for the generation of microglia-like cells based on the inducible expression of six transcription factors. We established inducible CRISPR interference and activation in this system and conducted three screens targeting the “druggable genome”. These screens uncovered genes controlling microglia survival, activation and phagocytosis, including neurodegeneration-associated genes. A screen with single-cell RNA sequencing as the readout revealed that these microglia adopt a spectrum of states mirroring those observed in human brains and identified regulators of these states. A disease-associated state characterized by SPP1 expression was selectively depleted by CSF1R inhibition. Thus, our platform can systematically uncover regulators of microglia states, enabling their functional characterization and therapeutic targeting.

Abstract Single-cell transcriptomics provide a systematic map of gene expression in different human cell types. The next challenge is to systematically understand cell-type specific gene function. The integration of CRISPR-based functional genomics and stem cell technology enables the scalable interrogation of gene function in differentiated human cells. Here, we present the first genomewide CRISPR interference and CRISPR activation screens in human neurons. We uncover pathways controlling neuronal response to chronic oxidative stress, which is implicated in neurodegenerative diseases. Unexpectedly, knockdown of the lysosomal protein prosaposin strongly sensitizes neurons, but not other cell types, to oxidative stress by triggering the formation of lipofuscin, a hallmark of aging, which traps iron, generating reactive oxygen species and triggering ferroptosis. We also determine transcriptomic changes in neurons following perturbation of genes linked to neurodegenerative diseases. To enable the systematic comparison of gene function across different human cell types, we establish a data commons named CRISPRbrain.

Abstract Human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines are a powerful tool for studying development and disease, but the considerable phenotypic variation between lines makes it challenging to replicate key findings and integrate data across research groups. To address this issue, we sub-cloned candidate iPSC lines and deeply characterised their genetic properties using whole genome sequencing, their genomic stability upon CRISPR/Cas9-based gene editing, and their phenotypic properties including differentiation to commonly-used cell types. These studies identified KOLF2.1J as an all-around well-performing iPSC line. We then shared KOLF2.1J with groups around the world who tested its performance in head-to-head comparisons with their own preferred iPSC lines across a diverse range of differentiation protocols and functional assays. On the strength of these findings, we have made KOLF2.1J and hundreds of its gene-edited derivative clones readily accessible to promote the standardization required for large-scale collaborative science in the stem cell field. Summary The authors of this collaborative study deeply characterized human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines to rationally select a clonally-derived cell line that performs well across multiple modalities. KOLF2.1J was identified as a candidate reference cell line based on single-cell analysis of its gene expression in the pluripotent state, whole genome sequencing, genomic stability after highly efficient CRISPR-mediated gene editing, integrity of the p53 pathway, and the efficiency with which it differentiated into multiple target cell populations. Since it is deeply characterized and can be readily acquired, KOLF2.1J is an attractive reference cell line for groups working with iPSCs. Graphical abstract

ABSTRACT Inflammatory reactive astrocytes lose homeostatic functions and can be neurotoxic, potentially contributing to neurodegenerative diseases. However, the underlying cell biological mechanisms are not fully understood. Here, we demonstrate that lysosomes are remodeled and alkalinized in inflammatory reactive astrocytes, and that lysosome exocytosis drives astrocyte-mediated neurotoxicity. CRISPRi screens uncover mTOR as a regulator of neurotoxic lysosome exocytosis. These results pinpoint lysosome remodeling and exocytosis in inflammatory reactive astrocytes as a potential therapeutic target.

SUMMARY CRISPR/Cas9-based functional genomics have transformed our ability to elucidate mammalian cell biology. However, most previous CRISPR-based screens were conducted in cancer cell lines, rather than healthy, differentiated cells. Here, we describe a CRISPR interference (CRISPRi)-based platform for genetic screens in human neurons derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs). We demonstrate robust and durable knockdown of endogenous genes in such neurons, and present results from three complementary genetic screens. First, a survival-based screen revealed neuron-specific essential genes and genes that improved neuronal survival upon knockdown. Second, a screen with a single-cell transcriptomic readout uncovered several examples of genes whose knockdown had strikingly cell-type specific consequences. Third, a longitudinal imaging screen detected distinct consequences of gene knockdown on neuronal morphology. Our results highlight the power of unbiased genetic screens in iPSC-derived differentiated cell types and provide a platform for systematic interrogation of normal and disease states of neurons.

Summary Genetic interaction studies are a powerful approach to identify functional interactions between genes. This approach can reveal networks of regulatory hubs and connect uncharacterised genes to well-studied pathways. However, this approach has previously been limited to simple gene inactivation studies. Here, we present an orthogonal CRISPR/Cas-mediated genetic interaction approach that allows the systematic activation of one gene while simultaneously knocking out a second gene in the same cell. We have developed this concept into a quantitative and scalable combinatorial screening platform that allows the parallel interrogation of hundreds of thousands of genetic interactions. We demonstrate that the established platform works robustly to uncover genetic interactions in human cancer cells and to interpret the direction of the flow of genetic information.

Abstract In mammalian cells, mitochondrial dysfunction triggers the integrated stress response (ISR), in which eIF2α phosphorylation upregulates the transcription factor ATF4. However, how mitochondrial stress is relayed to the ISR is unknown. We found that HRI is the eIF2α kinase necessary and sufficient for this relay. Using an unbiased CRISPRi screen, we identified factors upstream of HRI: OMA1, a mitochondrial stress-activated protease, and DELE1, a little-characterized protein we found to be associated with the inner mitochondrial membrane. Mitochondrial stress stimulates the OMA1-dependent cleavage of DELE1, leading to its accumulation in the cytosol, where it interacts with HRI and activates its eIF2α kinase activity. Blockade of the OMA1-DELE1-HRI pathway is beneficial during some, but not all types of mitochondrial stress, and leads to an alternative response that induces specific molecular chaperones. Therefore, this pathway is a potential therapeutic target enabling fine-tuning of the ISR for beneficial outcomes in diseases involving mitochondrial dysfunction.

Abstract Astrocytes are critical components of the neurovascular unit that support blood-brain barrier (BBB) function in brain microvascular endothelial cells (BMECs). Transformation of astrocytes to a reactive state in response to injury and disease can be protective or harmful to BBB function, but the underlying mechanisms for these effects remain mostly unclear. Using a human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived coculture model of BMEC-like cells and astrocytes, we found that tumor necrosis factor alpha (TNFα) transitions astrocytes to an inflammatory reactive state through activated STAT3 signaling, whereby the resultant astrocytes disrupt passive BBB function and induce vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1) expression in the BMEC-like cells. These associations between inflammatory reactive astrocytes, STAT3 activation, and vascular VCAM-1 expression were corroborated in human postmortem tissue. Bioinformatic analyses coupled with CRISPR interference techniques in the iPSC model revealed that inflammatory reactive astrocytes transduce BBB disruption in part through SERPINA3 , which encodes alpha 1-antichymotrypsin (α1ACT), a secreted serine protease inhibitor associated with aging, neuroinflammation, and Alzheimer’s disease. In murine ex vivo cortical explant cultures, shRNA-mediated silencing of Serpina3n in astrocytes reduced vascular VCAM-1 expression after TNFα challenge. Further, direct treatment with recombinant Serpina3n in both ex vivo explant cultures and the brain in vivo (via intracerebroventricular injection into wild-type mice) was sufficient to induce vascular VCAM-1 expression and reduce tight junction integrity. Overall, our results define the TNFα-STAT3 signaling axis as a driver of an inflammatory reactive astrocyte subtype responsible for BBB dysfunction. Our results also identify α1ACT as an explicit mediator of BBB damage and suggest that inhibition of α1ACT expression or activity could represent a therapeutic avenue for reversing BBB deficits in aging and neurodegenerative disease.