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. 

Video Abstract

Regulatory T cells (Tregs), which are characterized by expression of the transcription factor Foxp3, are a dynamic and heterogeneous population of cells that control immune responses and prevent autoimmunity. We recently identified a subset of Tregs in murine skin with properties typical of memory cells and defined this population as memory Tregs (mTregs). Due to the importance of these cells in regulating tissue inflammation in mice, we analyzed this cell population in humans and found that almost all Tregs in normal skin had an activated memory phenotype. Compared with mTregs in peripheral blood, cutaneous mTregs had unique cell surface marker expression and cytokine production. In normal human skin, mTregs preferentially localized to hair follicles and were more abundant in skin with high hair density. Sequence comparison of TCRs from conventional memory T helper cells and mTregs isolated from skin revealed little homology between the two cell populations, suggesting that they recognize different antigens. Under steady-state conditions, mTregs were nonmigratory and relatively unresponsive; however, in inflamed skin from psoriasis patients, mTregs expanded, were highly proliferative, and produced low levels of IL-17. Taken together, these results identify a subset of Tregs that stably resides in human skin and suggest that these cells are qualitatively defective in inflammatory skin disease.

Lowering total tau levels is an attractive therapeutic strategy for Alzheimer's disease and other tauopathies. High-throughput screening in neurons derived from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) is a powerful tool to identify tau-targeted therapeutics. However, such screens have been hampered by heterogeneous neuronal production, high cost and low yield, and multi-step differentiation procedures. We engineered an isogenic iPSC line that harbors an inducible neurogenin 2 transgene, a transcription factor that rapidly converts iPSCs to neurons, integrated at the AAVS1 locus. Using a simplified two-step protocol, we differentiated these iPSCs into cortical glutamatergic neurons with minimal well-to-well variability. We developed a robust high-content screening assay to identify tau-lowering compounds in LOPAC and identified adrenergic receptors agonists as a class of compounds that reduce endogenous human tau. These techniques enable the use of human neurons for high-throughput screening of drugs to treat neurodegenerative disease.

How dipeptide repeats cause pathology A repeat expansion in the chromosome 9 open reading frame 72 ( C9orf72 ) gene is the most common known cause of two neurodegenerative diseases: frontotemporal dementia and amyotrophic lateral sclerosis. This expansion leads to the abnormal production of proteins of repeating dipeptides, but their contribution to disease pathogenesis remains unclear. Zhang et al. engineered a mouse model to study the consequences of one of these dipeptides—prolinearginine dipeptide repeat protein, poly(PR)—in the brain. They found that poly(PR) caused neuron loss as well as motor and memory impairments. These detrimental effects resulted from poly(PR)-induced perturbation of heterochromatin function, a tightly packed form of DNA that represses gene expression. Science , this issue p. eaav2606

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.

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 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 In mammalian cells genes that are in close proximity are coupled transcriptionally: silencing or activating one gene can affect its neighbors. Understanding these dynamics is important for natural processes, such as heterochromatin spreading during development and aging, and when designing synthetic gene regulation. Here, we systematically dissect this process in single cells by recruiting and releasing repressive chromatin regulators at dual-gene synthetic reporters, and measuring how fast gene silencing and reactivation spread as a function of intergenic distance and configuration of insulator elements. We find that silencing by KRAB, associated with histone methylation, spreads between two genes within hours, with a time delay that increases with distance. This fast KRAB-mediated spreading is not blocked by the classical cHS4 insulators. Silencing by histone deacetylase HDAC4 of the upstream gene can also lead to downstream gene silencing, but with a days-long delay that does not change with distance. This slower silencing can sometimes be stopped by insulators. Gene reactivation of neighboring genes is also coupled, with strong promoters and insulators determining the order of reactivation. We propose a new model of multi-gene regulation, where both gene silencing and gene reactivation can act at a distance, allowing for coordinated dynamics via chromatin regulator recruitment.

Histone H3.3 is frequently mutated in cancers, with the lysine 36 to methionine mutation (K36M) being a hallmark of chondroblastomas. While it is known that H3.3K36M changes the cellular epigenetic landscape, it remains unclear how it affects the dynamics of gene expression. Here, we use a synthetic reporter to measure the effect of H3.3K36M on silencing and epigenetic memory after recruitment of KRAB: a member of the largest class of human repressors, commonly used in synthetic biology, and associated with H3K9me3. We find that H3.3K36M, which decreases H3K36 methylation, leads to a decrease in epigenetic memory and promoter methylation weeks after KRAB release. We propose a new model for establishment and maintenance of epigenetic memory, where H3K36 methylation is necessary to convert H3K9me3 domains into DNA methylation for stable epigenetic memory. Our quantitative model can inform oncogenic mechanisms and guide development of epigenetic editing tools.

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.