Abstract Cancer cells frequently display high rates of aerobic glycolysis in comparison to their nontransformed counterparts, although the molecular basis of this phenomenon remains poorly understood. Constitutive activity of the serine/threonine kinase Akt is a common perturbation observed in malignant cells. Surprisingly, although Akt activity is sufficient to promote leukemogenesis in nontransformed hematopoietic precursors and maintenance of Akt activity was required for rapid disease progression, the expression of activated Akt did not increase the proliferation of the premalignant or malignant cells in culture. However, Akt stimulated glucose consumption in transformed cells without affecting the rate of oxidative phosphorylation. High rates of aerobic glycolysis were also identified in human glioblastoma cells possessing but not those lacking constitutive Akt activity. Akt-expressing cells were more susceptible than control cells to death after glucose withdrawal. These data suggest that activation of the Akt oncogene is sufficient to stimulate the switch to aerobic glycolysis characteristic of cancer cells and that Akt activity renders cancer cells dependent on aerobic glycolysis for continued growth and survival.

Summary

 Many tumors display a high rate of glucose utilization, as evidenced by 18-F-2-deoxyglucose PET imaging. One potential advantage of catabolizing glucose through glycolysis at a rate that exceeds bioenergetic need is that the growing cell can redirect the excess glycolytic end product pyruvate toward lipid synthesis. Such de novo lipid synthesis is necessary for membrane production and lipid-based posttranslational modification of proteins. A key enzyme linking glucose metabolism to lipid synthesis is ATP citrate lyase (ACL), which catalyzes the conversion of citrate to cytosolic acetyl-CoA. ACL inhibition by RNAi or the chemical inhibitor SB-204990 limits in vitro proliferation and survival of tumor cells displaying aerobic glycolysis. The same treatments also reduce in vivo tumor growth and induce differentiation.

Enhancers, critical determinants of cellular identity, are commonly recognized by correlative chromatin marks and gain-of-function potential, although only loss-of-function studies can demonstrate their requirement in the native genomic context. Previously, we identified an erythroid enhancer of human BCL11A, subject to common genetic variation associated with the fetal haemoglobin level, the mouse orthologue of which is necessary for erythroid BCL11A expression. Here we develop pooled clustered regularly interspaced palindromic repeat (CRISPR)-Cas9 guide RNA libraries to perform in situ saturating mutagenesis of the human and mouse enhancers. This approach reveals critical minimal features and discrete vulnerabilities of these enhancers. Despite conserved function of the composite enhancers, their architecture diverges. The crucial human sequences appear to be primate-specific. Through editing of primary human progenitors and mouse transgenesis, we validate the BCL11A erythroid enhancer as a target for fetal haemoglobin reinduction. The detailed enhancer map will inform therapeutic genome editing, and the screening approach described here is generally applicable to functional interrogation of non-coding genomic elements. A CRISPR-Cas9 approach is used to perform saturating mutagenesis of the human and mouse BCL11A enhancers, producing a map that reveals critical regions and specific vulnerabilities; BCL11A enhancer disruption is validated by CRISPR-Cas9 as a therapeutic strategy for inducing fetal haemoglobin by applying it in both mice and primary human erythroblast cells. BCL11A is a transcriptional repressor that inhibits expression of fetal globin genes in adults, and is a potential therapeutic target for the treatment of β-globinopathies such as β-thalassemia and sickle cell disease. The enhancer of BCL11A is subject to common genetic variation associated with fetal hemoglobin level. Here, Daniel Bauer and colleagues use a CRISPR–Cas9 approach to perform saturation mutagenesis of the human and mouse BCL11A enhancers, producing a map that reveals critical regions and specific vulnerabilities. They validate BCL11A enhancer disruption by CRISPR–Cas9 as a therapeutic strategy for inducing fetal haemoglobin by applying it in both mice and primary human erythroblast cells.

Applications of adenine base editors (ABEs) have been constrained by the limited compatibility of the deoxyadenosine deaminase component with Cas homologs other than SpCas9. We evolved the deaminase component of ABE7.10 using phage-assisted non-continuous and continuous evolution (PANCE and PACE), which resulted in ABE8e. ABE8e contains eight additional mutations that increase activity (kapp) 590-fold compared with that of ABE7.10. ABE8e offers substantially improved editing efficiencies when paired with a variety of Cas9 or Cas12 homologs. ABE8e is more processive than ABE7.10, which could benefit screening, disruption of regulatory regions and multiplex base editing applications. A modest increase in Cas9-dependent and -independent DNA off-target editing, and in transcriptome-wide RNA off-target editing can be ameliorated by the introduction of an additional mutation in the TadA-8e domain. Finally, we show that ABE8e can efficiently install natural mutations that upregulate fetal hemoglobin expression in the BCL11A enhancer or in the the HBG promoter in human cells, targets that were poorly edited with ABE7.10. ABE8e augments the effectiveness and applicability of adenine base editing.

BCL11A Variants Recent chromatin mapping data have suggested that trait-associated variants often mark regulatory DNA. However, there has been little rigorous experimental investigation of regulatory variation. Bauer et al. (p. 253 ; see the Perspective by Hardison and Blobel ) performed an in-depth study of the BCL11A fetal hemoglobin-associated locus. The trait-associated variants revealed a chromatin signature that enhanced erythroid development. The enhancer was required for erythroid expression of BCL11A and thus for globin gene expression.

Cell proliferation requires a constant supply of lipids and lipid precursors to fuel membrane biogenesis and protein modification. Cytokine stimulation of hematopoietic cells directly stimulates glucose utilization in excess of bioenergetic demand, resulting in a shift from oxidative to glycolytic metabolism. A potential benefit of this form of metabolism is the channeling of glucose into biosynthetic pathways. Here we report that glucose supports de novo lipid synthesis in growing hematopoietic cells in a manner regulated by cytokine availability and the PI3K/Akt signaling pathway. The net conversion of glucose to lipid is dependent on the ability of cells to produce cytosolic acetyl CoA from mitochondria-derived citrate through the action of ATP citrate lyase (ACL). Stable knockdown of ACL leads to a significant impairment of glucose-dependent lipid synthesis and an elevation of mitochondrial membrane potential. Cells with ACL knockdown display decreased cytokine-stimulated cell proliferation. In contrast, these cells resist cell death induced by either cytokine or glucose withdrawal. However, ACL knockdown significantly impairs Akt-mediated tumorigenesis in vivo. These data suggest that enzymes involved in the conversion of glucose to lipid may be targets for the treatment of pathologic cell growth.

Re-expression of the paralogous γ-globin genes (HBG1/2) could be a universal strategy to ameliorate the severe β-globin disorders sickle cell disease (SCD) and β-thalassemia by induction of fetal hemoglobin (HbF, α

Fetal hemoglobin (HbF, α2γ2) level is genetically controlled and modifies severity of adult hemoglobin (HbA, α2β2) disorders, sickle cell disease, and β-thalassemia. Common genetic variation affects expression of BCL11A, a regulator of HbF silencing. To uncover how BCL11A supports the developmental switch from γ- to β- globin, we use a functional assay and protein binding microarray to establish a requirement for a zinc-finger cluster in BCL11A in repression and identify a preferred DNA recognition sequence. This motif appears in embryonic and fetal-expressed globin promoters and is duplicated in γ-globin promoters. The more distal of the duplicated motifs is mutated in individuals with hereditary persistence of HbF. Using the CUT&RUN approach to map protein binding sites in erythroid cells, we demonstrate BCL11A occupancy preferentially at the distal motif, which can be disrupted by editing the promoter. Our findings reveal that direct γ-globin gene promoter repression by BCL11A underlies hemoglobin switching.

The precision of base editing is enhanced with an engineered version of the APOBEC3A deaminase. Base editor technology, which uses CRISPR–Cas9 to direct cytidine deaminase enzymatic activity to specific genomic loci, enables the highly efficient introduction of precise cytidine-to-thymidine DNA alterations1,2,3,4,5,6. However, existing base editors create unwanted C-to-T alterations when more than one C is present in the enzyme's five-base-pair editing window. Here we describe a strategy for reducing bystander mutations using an engineered human APOBEC3A (eA3A) domain, which preferentially deaminates cytidines in specific motifs according to a TCR>TCY>VCN hierarchy. In direct comparisons with the widely used base editor 3 (BE3) fusion in human cells, our eA3A-BE3 fusion exhibits similar activities on cytidines in TC motifs but greatly reduced editing on cytidines in other sequence contexts. eA3A-BE3 corrects a human β-thalassemia promoter mutation with much higher (>40-fold) precision than BE3. We also demonstrate that eA3A-BE3 shows reduced mutation frequencies on known off-target sites of BE3, even when targeting promiscuous homopolymeric sites.

The clustered regularly interspaced short [corrected] palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated (Cas) 9 nuclease system has provided a powerful tool for genome engineering. Double strand breaks may trigger nonhomologous end joining repair, leading to frameshift mutations, or homology-directed repair using an extrachromosomal template. Alternatively, genomic deletions may be produced by a pair of double strand breaks. The efficiency of CRISPR/Cas9-mediated genomic deletions has not been systematically explored. Here, we present a methodology for the production of deletions in mammalian cells, ranging from 1.3 kb to greater than 1 Mb. We observed a high frequency of intended genomic deletions. Nondeleted alleles are nonetheless often edited with inversions or small insertion/deletions produced at CRISPR recognition sites. Deleted alleles also typically include small insertion/deletions at predicted deletion junctions. We retrieved cells with biallelic deletion at a frequency exceeding that of probabilistic expectation. We demonstrate an inverse relationship between deletion frequency and deletion size. This work suggests that CRISPR/Cas9 is a robust system to produce a spectrum of genomic deletions to allow investigation of genes and genetic elements.