Prime editing installs precise edits into the genome with minimal unwanted byproducts, but low and variable editing efficiencies have complicated application of the approach to high-throughput functional genomics. Leveraging several recent advances, we assembled a prime editing platform capable of high-efficiency substitution editing across a set of engineered prime editing guide RNAs (epegRNAs) and corresponding target sequences (80% median intended editing). Then, using a custom library of 240,000 epegRNAs targeting >17,000 codons with 175 different substitution types, we benchmarked our platform for functional interrogation of small substitution variants (1-3 nucleotides) targeted to essential genes. Resulting data identified negative growth phenotypes for nonsense mutations targeted to ~8,000 codons, and comparing those phenotypes to results from controls demonstrated high specificity. We also observed phenotypes for synonymous mutations that disrupted splice site motifs at 3' exon boundaries. Altogether, we establish and benchmark a high-throughput prime editing approach for functional characterization of genetic variants with simple readouts from multiplexed experiments.

Prime editing installs precise edits into the genome with minimal unwanted byproducts, but low and variable editing efficiencies have complicated application of the approach to high-throughput functional genomics. Here we assembled a prime editing platform capable of high-efficiency substitution editing suitable for functional interrogation of small genetic variants. We benchmarked this platform for pooled, loss-of-function screening using a library of ~240,000 engineered prime editing guide RNAs (epegRNAs) targeting ~17,000 codons with 1–3 bp substitutions. Comparing the abundance of these epegRNAs across screen samples identified negative selection phenotypes for 7,996 nonsense mutations targeted to 1,149 essential genes and for synonymous mutations that disrupted splice site motifs at 3′ exon boundaries. Rigorous evaluation of codon-matched controls demonstrated that these phenotypes were highly specific to the intended edit. Altogether, we established a prime editing approach for multiplexed, functional characterization of genetic variants with simple readouts. This work establishes a prime editing platform for high-throughput interrogation of small genetic variants (up to tens of thousands) with negative selection phenotypes.

The COVID-19 pandemic has created massive demand for widespread, distributed tools for detecting SARS-CoV-2 genetic material. The hurdles to scalable testing include reagent and instrument accessibility, availability of highly-trained personnel, and large upfront investment. Here we showcase an orthogonal pipeline we call CREST (Cas13-based, Rugged, Equitable, Scalable Testing) that addresses some of these hurdles. Specifically, CREST pairs commonplace and reliable biochemical methods (PCR) with low-cost instrumentation, without sacrificing detection sensitivity. By taking advantage of simple fluorescence visualizers, CREST allows for a binary interpretation of results. CREST may provide a point-of-care solution to increase the distribution of COVID-19 surveillance.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract When cultured in three dimensional spheroids, mammalian stem cells can reproducibly self-organize a single anterior-posterior axis and sequentially differentiate into structures resembling the primitive streak and tailbud. Whereas the embryo’s body axes are instructed by spatially patterned extra-embryonic cues, it is unknown how these stem cell gastruloids break symmetry to reproducibly define a single anterior-posterior (A-P) axis. Here, we use synthetic gene circuits to trace how early intracellular signals predict cells’ future anterior-posterior position in the gastruloid. We show that Wnt signaling evolves from a homogeneous state to a polarized state, and identify a critical 6-hour time period when single-cell Wnt activity predicts future cellular position, prior to the appearance of polarized signaling patterns or morphology. Single-cell RNA sequencing and live-imaging reveal that early Wnt-high and Wnt-low cells contribute to distinct cell types and suggest that axial symmetry breaking is driven by sorting rearrangements involving differential cell adhesion. We further extend our approach to other canonical embryonic signaling pathways, revealing that even earlier heterogeneity in TGFβ signaling predicts A-P position and modulates Wnt signaling during the critical time period. Our study reveals a sequence of dynamic cellular processes that transform a uniform cell aggregate into a polarized structure and demonstrates that a morphological axis can emerge out of signaling heterogeneity and cell movements even in the absence of exogenous patterning cues. Highlights Symmetry-breaking gastruloid protocol where Wnt signaling evolves from a uniform high state to a single posterior domain. Synthetic gene circuits record Wnt, Nodal and BMP signaling with high time resolution. Heterogeneity in Wnt signaling at 96 h predicts cells’ future positions and types. Wnt activity differences are influenced by earlier heterogeneity in Nodal/BMP activity.