A central goal of genetics is to define the relationships between genotypes and phenotypes. High-content phenotypic screens such as Perturb-seq (CRISPR-based screens with single-cell RNA-sequencing readouts) enable massively parallel functional genomic mapping but, to date, have been used at limited scales. Here, we perform genome-scale Perturb-seq targeting all expressed genes with CRISPR interference (CRISPRi) across >2.5 million human cells. We use transcriptional phenotypes to predict the function of poorly characterized genes, uncovering new regulators of ribosome biogenesis (including CCDC86, ZNF236, and SPATA5L1), transcription (C7orf26), and mitochondrial respiration (TMEM242). In addition to assigning gene function, single-cell transcriptional phenotypes allow for in-depth dissection of complex cellular phenomena—from RNA processing to differentiation. We leverage this ability to systematically identify genetic drivers and consequences of aneuploidy and to discover an unanticipated layer of stress-specific regulation of the mitochondrial genome. Our information-rich genotype-phenotype map reveals a multidimensional portrait of gene and cellular function.

Abstract A central goal of genetics is to define the relationships between genotypes and phenotypes. High-content phenotypic screens such as Perturb-seq (pooled CRISPR-based screens with single-cell RNA-sequencing readouts) enable massively parallel functional genomic mapping but, to date, have been used at limited scales. Here, we perform genome-scale Perturb-seq targeting all expressed genes with CRISPR interference (CRISPRi) across >2.5 million human cells and present a framework to power biological discovery with the resulting genotype-phenotype map. We use transcriptional phenotypes to predict the function of poorly-characterized genes, uncovering new regulators of ribosome biogenesis (including CCDC86 , ZNF236 , and SPATA5L1 ), transcription ( C7orf26 ), and mitochondrial respiration ( TMEM242 ). In addition to assigning gene function, single-cell transcriptional phenotypes allow for in-depth dissection of complex cellular phenomena – from RNA processing to differentiation. We leverage this ability to systematically identify the genetic drivers and consequences of aneuploidy and to discover an unanticipated layer of stress-specific regulation of the mitochondrial genome. Our information-rich genotype-phenotype map reveals a multidimensional portrait of gene function and cellular behavior.

ABSTRACT Oral-facial-digital syndromes (OFD) are a heterogeneous group of congenital disorders characterized by malformations of the face and oral cavity, and digit anomalies. To date, mutations in 12 ciliary-related genes have been identified that cause several types of OFD, suggesting that OFDs constitute a subgroup of developmental ciliopathies. Through homozygosity mapping and exome sequencing of two families with variable OFD type 2, we identified distinct germline mutations in INTS13 , a subunit of the Integrator complex. This 14-component complex associates with RNAPII and can cleave nascent RNA to modulate gene expression. We determined that INTS13 utilizes a discrete domain within its C-terminus to bind the Integrator cleavage module, which is disrupted by the identified germline INTS13 mutations. Depletion of INTS13 disrupts ciliogenesis in human cultured cells and causes dysregulation of a broad collection of ciliary genes. Accordingly, its knockdown in Xenopus embryos lead to motile cilia anomalies. Altogether, we show that mutations in INTS13 cause an autosomal recessive ciliopathy, which reveals key interactions within Integrator components.

Integrator (INT) is a transcriptional regulatory complex associated with RNA polymerase II that is required for the 3′-end processing of both UsnRNAs and enhancer RNAs. Integrator subunits 9 (INTS9) and INTS11 constitute the catalytic core of INT and are paralogues of the cleavage and polyadenylation specificity factors CPSF100 and CPSF73. While CPSF73/100 are known to associate with a third protein called Symplekin, there is no paralog of Symplekin within INT raising the question of how INTS9/11 associate with the other INT subunits. Here, we have identified that INTS4 is a specific and conserved interaction partner of INTS9/11 that does not interact with either subunit individually. Although INTS4 has no significant homology with Symplekin, it possesses N-terminal HEAT repeats similar to Symplekin but also contains a β-sheet rich C-terminal region, both of which are important to bind INTS9/11. We assess three functions of INT including UsnRNA 3′-end processing, maintenance of Cajal body integrity, and formation of histone locus bodies to conclude that INTS4/9/11 are the most critical of the INT subunits for UsnRNA biogenesis. Altogether, these results indicate that INTS4/9/11 compose a heterotrimeric complex that likely represents the Integrator 'cleavage module' responsible for its endonucleolytic activity.