ABSTRACT Optical pooled screening (OPS) is a highly scalable method for linking image-based phenotypes with cellular perturbations. However, it has thus far been restricted to relatively low-plex phenotypic readouts in cancer cell lines in culture, due to limitations associated with in situ sequencing (ISS) of perturbation barcodes. Here, we developed PerturbView, an OPS technology that leverages in vitro transcription (IVT) to amplify barcodes prior to ISS, enabling screens with highly multiplexed phenotypic readouts across diverse systems, including primary cells and tissues. We demonstrate PerturbView in iPSC-derived neurons, primary immune cells, and tumor tissue sections from animal models. In a screen of immune signaling pathways in primary bone marrow-derived macrophages, PerturbView uncovered both known and novel regulators of NFκB signaling. Furthermore, we combined PerturbView with spatial transcriptomics in tissue sections from a mouse xenograft model, paving the way to in vivo screens with rich optical and transcriptomic phenotypes. PerturbView broadens the scope of OPS to a wide range of models and applications.

Developing labelling methods that densely and specifically label targeted cellular structures is critically important for centroid localization-based super-resolution microscopy. Being easy and inexpensive to produce in the laboratory and of relatively small size, RNA aptamers have potential as a substitute for conventional antibody labelling. By using aptamers selected against common protein tags - GFP (green fluorescent protein) in this case - we demonstrate labelling methods using dSTORM-compatible fluorophores for STORM and hybridizable imager strands for DNA-PAINT super-resolution optical imaging of any cellular proteins fused to the aptamer binding target. We show that we can label both extracellular and intracellular proteins for super-resolution imaging, and that the method in particular, offers some interesting advantages for live cell super-resolution imaging of plasma membrane proteins.

Lentiviral vectors are widely used for functional genomic screens, enabling efficient and stable transduction of target cells with libraries of genetic elements. Unfortunately, designs that rely on integrating multiple variable sequences, such as combinatorial perturbations or perturbations linked to barcodes, may be compromised by unintended consequences of lentiviral packaging. Intermolecular recombination between library elements and integration of multiple perturbations (even at limiting virus dilution) can negatively impact the sensitivity of pooled screens. Here, we describe a simple approach to prevent recombination between lentiviral vectors containing multiple linked variable elements, such as the recently reported CRISP-seq, Perturb-seq, and Mosaic-seq designs. We show that modifying the packaging protocol to dilute the perturbation library with a carrier plasmid increases the fraction of correct, single integrations from <60% to >90%, at the cost of reducing titer by 100-fold.

Large-scale genetic screens play a key role in the systematic discovery of genes underlying cellular phenotypes. Pooling of genetic perturbations greatly increases screening throughput, but has so far been limited to screens of enrichments defined by cell fitness and flow cytometry, or to comparatively low-throughput single cell gene expression profiles. Although microscopy is a rich source of spatial and temporal information about mammalian cells, high-content imaging screens have been restricted to much less efficient arrayed formats. Here, we introduce an optical method to link perturbations and their phenotypic outcomes at the single-cell level in a pooled setting. Barcoded perturbations are read out by targeted in situ sequencing following image-based phenotyping. We apply this technology to screen a focused set of 952 genes across >3 million cells for involvement in NF-κB activation by imaging the translocation of RelA (p65) to the nucleus, recovering 20 known pathway components and 3 novel candidate positive regulators of IL-1β and TNFα-stimulated immune responses.

The composition, stoichiometry and interactions of supramolecular protein complexes are a critical determinant of biological function. Several techniques have been developed to study molecular interactions and quantify subunit stoichiometry at the single molecule level; however, these typically require artificially low expression levels to achieve the low fluorophore concentration required for single molecule imaging, or use of detergent isolation of complexes that may perturb native subunit interactions. Here we present an alternative approach where protein complexes are assembled at physiological concentrations and subsequently diluted in situ for single-molecule level observations while preserving them in a near-native cellular environment. We show that coupling this in situ dilution strategy with single molecule techniques such as in vivo Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), bleach step counting for quantifying protein complex stoichiometry, and two-color single molecule colocalization, improves the quality of data obtained using these single molecule fluorescence methods. Single Protein Recovery After Dilution (SPReAD) is a simple and versatile means of extending the concentration range of single molecule measurements into the cellular regime while minimizing potential artifacts and perturbations of protein complex stoichiometry.

A key challenge of the modern genomics era is developing data-driven representations of gene function. Here, we present the first unbiased morphology-based genome-wide perturbation atlas in human cells, containing three genome-scale genotype-phenotype maps comprising >20,000 single-gene CRISPR-Cas9-based knockout experiments in >30 million cells. Our optical pooled cell profiling approach (PERISCOPE) combines a de-stainable high-dimensional phenotyping panel (based on Cell Painting1,2) with optical sequencing of molecular barcodes and a scalable open-source analysis pipeline to facilitate massively parallel screening of pooled perturbation libraries. This approach provides high-dimensional phenotypic profiles of individual cells, while simultaneously enabling interrogation of subcellular processes. Our atlas reconstructs known pathways and protein-protein interaction networks, identifies culture media-specific responses to gene knockout, and clusters thousands of human genes by phenotypic similarity. Using this atlas, we identify the poorly-characterized disease-associated transmembrane protein TMEM251/LYSET as a Golgi-resident protein essential for mannose-6-phosphate-dependent trafficking of lysosomal enzymes, showing the power of these representations. In sum, our atlas and screening technology represent a rich and accessible resource for connecting genes to cellular functions at scale.

Abstract Ebola virus (EBOV) is a high-consequence filovirus that gives rise to frequent epidemics with high case fatality rates and few therapeutic options. Here, we applied image-based screening of a genome-wide CRISPR library to systematically identify host cell regulators of Ebola virus infection in 39,085,093 million single cells. Measuring viral RNA and protein levels together with their localization in cells identified over 998 related host factors and provided detailed information about the role of each gene across the virus replication cycle. We trained a deep learning model on single-cell images to associate each host factor with predicted replication steps, and confirmed the predicted relationship for select host factors. Among the findings, we showed that the mitochondrial complex III subunit UQCRB is a post-entry regulator of Ebola virus RNA replication, and demonstrated that UQCRB inhibition with a small molecule reduced overall Ebola virus infection with an IC50 of 5 μM. Using a random forest model, we also identified perturbations that reduced infection by disrupting the equilibrium between viral RNA and protein. One such protein, STRAP, is a spliceosome-associated factor that was found to be closely associated with VP35, a viral protein required for RNA processing. Loss of STRAP expression resulted in a reduction in full-length viral genome production and subsequent production of non-infectious virus particles. Overall, the data produced in this genome-wide high-content single-cell screen and secondary screens in additional cell lines and related filoviruses (MARV and SUDV) revealed new insights about the role of host factors in virus replication and potential new targets for therapeutic intervention.