The challenge of linking intergenic mutations to target genes has limited molecular understanding of human diseases. Here we show that H3K27ac HiChIP generates high-resolution contact maps of active enhancers and target genes in rare primary human T cell subtypes and coronary artery smooth muscle cells. Differentiation of naive T cells into T helper 17 cells or regulatory T cells creates subtype-specific enhancer-promoter interactions, specifically at regions of shared DNA accessibility. These data provide a principled means of assigning molecular functions to autoimmune and cardiovascular disease risk variants, linking hundreds of noncoding variants to putative gene targets. Target genes identified with HiChIP are further supported by CRISPR interference and activation at linked enhancers, by the presence of expression quantitative trait loci, and by allele-specific enhancer loops in patient-derived primary cells. The majority of disease-associated enhancers contact genes beyond the nearest gene in the linear genome, leading to a fourfold increase in the number of potential target genes for autoimmune and cardiovascular diseases.

Summary Human gene expression is regulated by over two thousand transcription factors and chromatin regulators 1,2 . Effector domains within these proteins can activate or repress transcription. However, for many of these regulators we do not know what type of transcriptional effector domains they contain, their location in the protein, their activation and repression strengths, and the amino acids that are necessary for their functions. Here, we systematically measure the transcriptional effector activity of >100,000 protein fragments (each 80 amino acids long) tiling across most chromatin regulators and transcription factors in human cells (2,047 proteins). By testing the effect they have when recruited at reporter genes, we annotate 307 new activation domains and 592 new repression domains, a ∼5-fold increase over the number of previously annotated effectors 3,4 . Complementary rational mutagenesis and deletion scans across all the effector domains reveal aromatic and/or leucine residues interspersed with acidic, proline, serine, and/or glutamine residues are necessary for activation domain activity. Additionally, the majority of repression domain sequences contain either sites for SUMOylation, short interaction motifs for recruiting co-repressors, or are structured binding domains for recruiting other repressive proteins. Surprisingly, we discover bifunctional domains that can both activate and repress and can dynamically split a cell population into high- and low-expression subpopulations. Our systematic annotation and characterization of transcriptional effector domains provides a rich resource for understanding the function of human transcription factors and chromatin regulators, engineering compact tools for controlling gene expression, and refining predictive computational models of effector domain function.

Abstract CRISPR gene drives could revolutionize the control of infectious diseases by accelerating the spread of engineered traits that limit parasite transmission in wild populations. While much effort has been spent developing gene drives in mosquitoes, gene drive technology in molluscs has received little attention despite the role of freshwater snails as obligate, intermediate hosts of parasitic flukes causing schistosomiasis – a disease of poverty affecting more than 200 million people worldwide. A successful drive in snails must overcome self-fertilization, which prevents a drive’s spread. Simultaneous hermaphroditism is a feature of snails – distinct from gene drive model organisms – and is not yet incorporated in gene drive models of disease control. Here we developed a novel population genetic model accounting for snails’ sexual and asexual reproduction, susceptibility to parasite infection regulated by multiple alleles, fitness differences between genotypes, and a range of drive characteristics. We then integrated this model with an epidemiological model of schistosomiasis transmission and snail population dynamics. Simulations showed that gene drive establishment can be hindered by a variety of biological and ecological factors, including selfing. However, our model suggests that, under a range of conditions, gene drive mediated immunity in snails could maintain rapid disease reduction achieved by annual chemotherapy treatment of the human population, leading to long-term elimination. These results indicate that gene drives, in coordination with existing public health measures, may become a useful tool to reduce schistosomiasis burden in selected transmission settings with effective CRISPR construct design and close evaluation of the genetic and ecological landscape.

SUMMARY Recent microbial genome sequencing efforts have revealed a vast reservoir of mobile genetic elements containing integrases that could be useful genome engineering tools. Large serine recombinases (LSRs), such as Bxb1 and PhiC31, are bacteriophage-encoded integrases that can facilitate the insertion of phage DNA into bacterial genomes. However, only a few LSRs have been previously characterized and they have limited efficiency in human cells. Here, we developed a systematic computational discovery workflow that identifies thousands of new LSRs and their cognate DNA attachment sites by. We validate this approach via experimental characterization of LSRs in human cells, leading to three classes of LSRs distinguished from one another by their efficiency and specificity. We identify landing pad LSRs that efficiently integrate into synthetically installed attachment sites orthogonal to the human genome, human genome-targeting LSRs with computationally predictable pseudosites, and multi-targeting LSRs that can unidirectionally integrate cargos at with similar efficiency and superior specificity to commonly used transposases. LSRs from each category were functionally characterized in human cells, overall achieving up to 7-fold higher plasmid recombination than Bxb1 and genome insertion efficiencies of 40-70% with cargo sizes over 7 kb. Overall, we establish a paradigm for large-scale discovery of microbial recombinases and reconstruction of their target sites directly from microbial sequencing data. This strategy provides a rich resource of over 60 experimentally characterized LSRs that can function in human cells and thousands of additional candidates for large-payload genome editing without exposed DNA double-stranded breaks.

Abstract The skin color is one of the most diverse human traits and is determined by the quantity, type and distribution of melanin. Here, we leverage light scattering properties of melanin to conduct a genome-wide CRISPR-Cas9 screen for novel regulators of melanogenesis. We identify functionally diverse genes converging on melanosome biogenesis, endosomal transport and transcriptional/posttranscriptional gene regulation, most of which represent novel associations with pigmentation. A survey of transcriptomes from diversely pigmented individuals reveals that the majority of genes discovered in our screen are upregulated in dark skin melanocytes, in agreement with their melanin-promoting function and potential contribution to skin color variation. This association is further buttressed by the significant skin color heritability enrichment in the vicinity of these genes. Taken together, our study presents a novel approach to assay pigmentation and uncovers a plethora of melanogenesis regulators, with broad implications for human variation, cell biology and medicine. One Sentence Summary Genetic screen uncovers genes involved in human melanogenesis, many of which are differentially expressed in individuals of diverse skin color.

Summary Thousands of proteins localize to the nucleus; however, it remains unclear which contain transcriptional effectors. Here, we develop HT-recruit - a pooled assay where protein libraries are recruited to a reporter, and their transcriptional effects are measured by sequencing. Using this approach, we measure gene silencing and activation for thousands of domains. We find a relationship between repressor function and evolutionary age for the KRAB domains, discover Homeodomain repressor strength is collinear with Hox genetic organization, and identify activities for several Domains of Unknown Function. Deep mutational scanning of the CRISPRi KRAB maps the co-repressor binding surface and identifies substitutions that improve stability/silencing. By tiling 238 proteins, we find repressors as short as 10 amino acids. Finally, we report new activator domains, including a divergent KRAB. Together, these results provide a resource of 600 human proteins containing effectors and demonstrate a scalable strategy for assigning functions to protein domains.

Detecting and mitigating off-target activity is critical to the practical application of CRISPR-mediated genome and epigenome editing. While numerous methods have been developed to map Cas9 binding specificity genome-wide, they are generally time-consuming and/or expensive, and not applicable to catalytically dead CRISPR enzymes. We have developed a rapid, inexpensive, and facile assay for identifying off-target CRISPR enzyme binding and cleavage by chemically mapping the unwound single-stranded DNA structures formed upon binding of a sgRNA-loaded Cas9 protein (“CasKAS”). We demonstrate this method in both in vitro and in vivo contexts.

Summary Viruses encode transcriptional regulatory proteins critical for controlling viral and host gene expression. Given their multifunctional nature and high sequence divergence, it is unclear which viral proteins can affect transcription and which specific sequences contribute to this function. Using a high-throughput assay, we measured the transcriptional regulatory potential of over 60,000 protein tiles across ∼1,500 proteins from 11 coronaviruses and all nine human herpesviruses. We discovered hundreds of new transcriptional effector domains, including a conserved repression domain in all coronavirus Spike homologs, dual activation-repression domains in VIRFs, and an activation domain in six herpesvirus homologs of the single-stranded DNA-binding protein that we show is important for viral replication and late gene expression in KSHV. For the effector domains we identified, we investigated their mechanisms via high-throughput sequence and chemical perturbations, pinpointing sequence motifs essential for function. This work massively expands viral protein annotations, serving as a springboard for studying their biological and health implications and providing new candidates for compact gene regulation tools.

Abstract The ENCODE Consortium’s efforts to annotate non-coding, cis -regulatory elements (CREs) have advanced our understanding of gene regulatory landscapes which play a major role in health and disease. Pooled, non-coding CRISPR screens are a promising approach for systematically investigating gene regulatory mechanisms. Here, the ENCODE Functional Characterization Centers report 109 screens comprising 346,970 individual perturbations across 13.3Mb of the genome, using a variety of methods, readouts, and statistical analyses. Across 332 functionally confirmed CRE-gene links, we identify principles for screening endogenous, non-coding elements for causal regulatory mechanisms. Nearly all CREs show strong evidence of open chromatin, and targeting accessibility peak summits is a critical component of our proposed sgRNA design rules. We provide experimental guidelines to accurately detect CREs with variable, often low, transcriptional effects. We discover a previously undescribed DNA strand-bias for CRISPRi in transcribed regions with implications for screen design and analysis. Benchmarking five screen analysis tools, we find CASA produces the most conservative CRE calls and is robust to artifacts of low-specificity sgRNAs. Together, we provide an accessible data resource, predesigned sgRNAs targeting 3,275,697 ENCODE SCREEN candidate CREs, and screening guidelines to accelerate functional characterization of the non-coding genome.

Abstract Human nuclear proteins contain >1000 transcriptional effector domains that can activate or repress transcription of target genes. We lack a systematic understanding of which effector domains regulate transcription robustly across genomic, cell-type, and DNA-binding domain (DBD) contexts. Here, we developed dCas9-mediated high-throughput recruitment (HT-recruit), a pooled screening method for quantifying effector function at endogenous targets, and tested effector function for a library containing 5092 nuclear protein Pfam domains across varied contexts. We find many effectors depend on target and DBD contexts, such as HLH domains that can act as either activators or repressors. We then confirm these findings and further map context dependencies of effectors drawn from unannotated protein regions using a larger library containing 114,288 sequences tiling chromatin regulators and transcription factors. To enable efficient perturbations, we select effectors that are potent in diverse contexts, and engineer (1) improved ZNF705 KRAB CRISPRi tools to silence promoters and enhancers, and (2) a compact human activator combination NFZ for better CRISPRa and inducible circuit delivery. Together, this effector-by-context functional map reveals context-dependence across human effectors and guides effector selection for robustly manipulating transcription.