Understanding the functional consequences of single-nucleotide variants is critical to uncovering the genetic underpinnings of diseases, but technologies to characterize variants are limiting. Here we leverage CRISPR-Cas9 cytosine base editors in pooled screens to scalably assay variants at endogenous loci in mammalian cells. We benchmark the performance of base editors in positive and negative selection screens and identify known loss-of-function mutations in BRCA1 and BRCA2 with high precision. To demonstrate the utility of base editor screens to probe small molecule-protein interactions, we conduct screens with BH3 mimetics and PARP inhibitors and identify point mutations that confer drug sensitivity or resistance. Finally, we create a library of 52,034 clinically-observed variants in 3,584 genes and conduct screens in the presence of cellular stressors, identifying loss-of-function variants in numerous DNA damage repair genes. We anticipate that this screening approach will be broadly useful to readily and scalably functionalize genetic variants.

ABSTRACT Numerous rationally-designed and directed-evolution variants of SpCas9 have been reported to expand the utility of CRISPR technology. Here, we benchmark PAM preferences, on-target activity, and off-target susceptibility of 11 variants of SpCas9 in cell culture assays with thousands of guides targeting endogenous genes. To enhance the coverage and thus utility of base editing screens, we demonstrate that the SpCas9-NG and SpG variants are compatible with both A>G and C>T base editors, more than tripling the number of guides and assayable residues. We demonstrate the performance of these technologies by screening for loss-of-function mutations in BRCA1 and Venetoclax-resistant mutations in BCL2 , identifying both known and new insights into these clinically-relevant genes. We anticipate that the tools and methodologies described here will facilitate the investigation of genetic variants at a finer and deeper resolution for any locus of interest.

Genetic interactions mediate the emergence of phenotype from genotype, but initial technologies for combinatorial genetic perturbation in mammalian cells suffer from inefficiency and are challenging to scale. Recent focus on paralog synthetic lethality in cancer cells offers an opportunity to evaluate different approaches and improve on the state of the art. Here we report a meta-analysis of CRISPR genetic interactions screens, identifying a candidate set of background-independent paralog synthetic lethals, and find that the Cas12a platform provides superior sensitivity and assay replicability. We demonstrate that Cas12a can independently target up to four genes from a single guide array, and we build on this knowledge by constructing a genome-scale library that expresses arrays of four guides per clone, a platform we call 'in4mer'. Our genome-scale human library, with only 49k clones, is substantially smaller than a typical CRISPR/Cas9 monogenic library while also targeting more than four thousand paralog pairs, triples, and quads. Proof of concept screens in four cell lines demonstrate discrimination of core and context-dependent essential genes similar to that of state-of-the-art CRISPR/Cas9 libraries, as well as detection of synthetic lethal and masking/buffering genetic interactions between paralogs of various family sizes, a capability not offered by any extant library. Importantly, the in4mer platform offers a fivefold reduction in the number of clones required to assay genetic interactions, dramatically improving the cost and effort required for these studies.

Isogenic pairs of cell lines, which differ by a single genetic modification, are powerful tools for understanding gene function. Generating such pairs for mammalian cells, however, is labor-intensive, time-consuming, and impossible in some cell types. Here we present an approach to create isogenic pairs of cells and screen them with genome-wide CRISPR-Cas9 libraries to generate genetic interaction maps. We queried the anti-apoptotic genes BCL2L1 and MCL1, and the DNA damage repair gene PARP1, via 25 genome-wide screens across 4 cell lines. For all three genes, we identify a rich set of both expected and novel buffering and synthetic lethal interactions. Further, we compare the interactions observed in genetic space to those found when targeting these genes with small molecules and identify hits that may inform the clinical uses for these inhibitors. We anticipate that this methodology will be broadly useful to comprehensively study genes of interest across many cell types.

Cas12a enzymes have attractive properties for scalable delivery of multiplexed perturbations, yet widespread usage has lagged behind Cas9-based strategies. Here we describe the optimization of Cas12a from Acidaminococcus (AsCas12a) for use in pooled genetic screens in human cells. By assaying the activity of thousands of guides, we confirm on-target design rules and extend them to an enhanced activity variant, enAsCas12a. We also develop the first comprehensive set of off-target rules for Cas12a, and demonstrate that we can predict and exclude promiscuous guides. Finally, to enable efficient higher-order multiplexing via lentiviral delivery, we screen thousands of direct repeat variants and identify 38 that outperform the wildtype sequence. We validate this optimized AsCas12a toolkit by targeting 12 synthetic lethal gene pairs with up to 400 guide pairs each, and demonstrate effective triple knockout via flow cytometry. These results establish AsCas12a as a robust system for combinatorial applications of CRISPR technology.

Abstract Whole exome and genome sequencing, coupled with refined bioinformatic pipelines, have enabled improved diagnostic yields for individuals with Mendelian conditions and have led to the rapid identification of novel syndromes. For many Mendelian neurodevelopmental disorders (NDDs), there is a lack of pre-existing model systems for mechanistic work. Thus, it is critical for translational researchers to have an accessible phenotype- and genotype-informed approach for model system selection. Single-cell RNA sequencing data can be informative in such an approach, as it can indicate which cell types express a gene of interest at the highest levels across time. For Mendelian NDDs, such data for the developing human brain is especially useful. A valuable single-cell RNA sequencing dataset of the second trimester developing human brain was produced by Bhaduri et al in 2021, but access to these data can be limited by computing power and the learning curve of single-cell data analysis. To reduce these barriers for translational research on Mendelian NDDs, we have built the web-based tool, Neuro development in Tri mester 2 - VI sualization of S ingle cell D ata O nline T ool (NeuroTri2-VISDOT), for exploring this single-cell dataset, and we have employed it in several different settings to demonstrate its utility for the translational research community.

ABSTRACT Background Bryant-Li-Bhoj neurodevelopmental syndrome (BLBS) is neurogenetic disorder caused by variants in H3-3A and H3-3B, the two genes that encode the histone H3.3 protein. Ninety-nine percent of individuals with BLBS show developmental delay/intellectual disability, but the mechanism by which variants in H3.3 result in these phenotypes is not yet understood. As a result, only palliative interventions are available to individuals living with BLBS. Methods Here, we investigate how one BLBS-causative variant, H3-3B p.Leu48Arg (L48R), affects neurodevelopment using an induced pluripotent stem cell (iPSC) model differentiated to 2D neural progenitor cells (NPCs), 2D forebrain neurons (FBNs), and 3D dorsal forebrain organoids (DFBOs). We employ a multi-omic approach in the 2D models to quantify the resulting changes in gene expression and chromatin accessibility. We used immunofluorescence (IF) staining to define the identities of cells in the 3D DFBOs. Results In the 2D systems, we found dysregulation of both gene expression and chromatin accessibility of genes important for neuronal fate, maturation, and function in H3.3 L48R compared to control. Our work in 3D organoids corroborates these findings, demonstrating altered proportions of radial glia and mature neuronal cells. Conclusions These data provide the first mechanistic insights into the pathogenesis of BLBS from a human-derived model of neurodevelopment, which suggest that the L48R increases H3-3B expression, resulting in the hyper-deposition of H3.3 into the nucleosome which underlies changes in gene expression and chromatin accessibility. Functionally, this causes dysregulation of cell adhesion, neurotransmission, and the balance between excitatory and inhibitory signaling. These results are a crucial step towards preclinical development and testing of targeted therapies for this and related disorders.

Abstract CRISPR knockout screens in hundreds of cancer cell lines have revealed a substantial number of context-specific essential genes that, when associated with a biomarker such as lineage or oncogenic mutation, offer candidate tumor-specific vulnerabilities for targeted therapies or novel drug development. Data-driven analysis of knockout fitness screens also yields many other functionally coherent modules that show emergent essentiality or, in rarer cases, the opposite phenotype of faster proliferation. We develop a systematic approach to classify these suppressors of proliferation, which are highly enriched for tumor suppressor genes, and define a network of 145 genes in 22 discrete modules. One surprising module contains several elements of the glycerolipid biosynthesis pathway and operates exclusively in a subset of AML lines, which we call Fatty Acid Synthesis/Tumor Suppressor (FASTS) cells. The proliferation suppressor activity of genes involved in the synthesis of saturated fatty acids, coupled with a more severe fitness phenotype for the desaturation pathway, suggests that these cells operate at the limit of their carrying capacity for saturated fatty acids, which we confirmed biochemically. Overexpression of genes in this module is associated with a survival advantage in an age-matched cohort of AML patients, suggesting the gene cluster driving an in vitro phenotype may be associated with a novel, clinically relevant subtype.