Generations affected by histone changes Parent and even grandparent environmental exposure can transmit adverse health effects to offspring. The mechanism of transmission is unclear, but some studies have implicated variations in DNA methylation. In a mouse model, Siklenka et al. found that alterations in histone methylation during sperm formation in one generation leads to reduced survival and developmental abnormalities in three subsequent generations (see the Perspective by McCarrey). Although changes in DNA methylation were not observed, altered sperm RNA content and abnormal gene expression in offspring were measured. Thus, chromatin may act as a mediator of molecular memory in transgenerational inheritance. Science , this issue p. 10.1126/science.aab2006 ; see also p. 634

MicroRNAs (miRNAs) can regulate nearly all biological processes and their dysregulation is implicated in various complex diseases and pathological conditions. Recent years have seen a growing number of functional studies of miRNAs using high-throughput experimental technologies, which have produced a large amount of high-quality data regarding miRNA target genes and their interactions with small molecules, long non-coding RNAs, epigenetic modifiers, disease associations, etc. These rich sets of information have enabled the creation of comprehensive networks linking miRNAs with various biologically important entities to shed light on their collective functions and regulatory mechanisms. Here, we introduce miRNet, an easy-to-use web-based tool that offers statistical, visual and network-based approaches to help researchers understand miRNAs functions and regulatory mechanisms. The key features of miRNet include: (i) a comprehensive knowledge base integrating high-quality miRNA-target interaction data from 11 databases; (ii) support for differential expression analysis of data from microarray, RNA-seq and quantitative PCR; (iii) implementation of a flexible interface for data filtering, refinement and customization during network creation; (iv) a powerful fully featured network visualization system coupled with enrichment analysis. miRNet offers a comprehensive tool suite to enable statistical analysis and functional interpretation of various data generated from current miRNA studies. miRNet is freely available at http://www.mirnet.ca.

Abstract The discovery, characterization, and adaptation of the RNA-guided clustered regularly interspersed short palindromic repeat (CRISPR)-Cas9 system has greatly increased the ease with which genome and epigenome editing can be performed. Fusion of chromatin-modifying domains to the nuclease-deactivated form of Cas9 (dCas9) has enabled targeted gene activation or repression in both cultured cells and in vivo in animal models. However, delivery of the large dCas9 fusion proteins to target cell types and tissues is an obstacle to widespread adoption of these tools for in vivo studies. Here we describe the generation and validation of two conditional transgenic mouse lines for targeted gene regulation, Rosa26:LSL-dCas9-p300 for gene activation and Rosa26:LSL-dCas9-KRAB for gene repression. Using the dCas9 p300 and dCas9 KRAB transgenic mice we demonstrate activation or repression of genes in both the brain and liver in vivo , and T cells and fibroblasts ex vivo . We show gene regulation and targeted epigenetic modification with gRNAs targeting either transcriptional start sites (TSS) or distal enhancer elements, as well as corresponding changes to downstream phenotypes. These mouse lines are convenient and valuable tools for facile, temporally controlled, and tissue-restricted epigenome editing and manipulation of gene expression in vivo .

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 to 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 four-fold increase of potential target genes for autoimmune and cardiovascular diseases.

Abstract The clinical response to adoptive T cell therapies is strongly associated with transcriptional and epigenetic state. Thus, technologies to discover regulators of T cell gene networks and their corresponding phenotypes have great potential to improve the efficacy of T cell therapies. We developed pooled CRISPR screening approaches with compact epigenome editors to systematically profile the effects of activation and repression of 120 transcription factors and epigenetic modifiers on human CD8+ T cell state. These screens nominated known and novel regulators of T cell phenotypes with BATF3 emerging as a high confidence gene in both screens. We found that BATF3 overexpression promoted specific features of memory T cells such as increased IL7R expression and glycolytic capacity, while attenuating gene programs associated with cytotoxicity, regulatory T cell function, and T cell exhaustion. In the context of chronic antigen stimulation, BATF3 overexpression countered phenotypic and epigenetic signatures of T cell exhaustion. CAR T cells overexpressing BATF3 significantly outperformed control CAR T cells in both in vitro and in vivo tumor models. Moreover, we found that BATF3 programmed a transcriptional profile that correlated with positive clinical response to adoptive T cell therapy. Finally, we performed CRISPR knockout screens with and without BATF3 overexpression to define co-factors and downstream factors of BATF3, as well as other therapeutic targets. These screens pointed to a model where BATF3 interacts with JUNB and IRF4 to regulate gene expression and illuminated several other novel targets for further investigation.

Pooled CRISPR-Cas9 screens have recently emerged as a powerful method for functionally characterizing regulatory elements in the non-coding genome, but off-target effects in these experiments have not been systematically evaluated. Here, we conducted a genome-scale screen for essential CTCF loop anchors in the K562 leukemia cell line. Surprisingly, the primary drivers of signal in this screen were single guide RNAs (sgRNAs) with low specificity scores. After removing these guides, we found that there were no CTCF loop anchors critical for cell growth. We also observed this effect in an independent screen fine-mapping the core motifs in enhancers of the GATA1 gene. We then conducted screens in parallel with CRISPRi and CRISPRa, which do not induce DNA damage, and found that an unexpected and distinct set of off-targets also caused strong confounding growth effects with these epigenome-editing platforms. Promisingly, strict filtering of CRISPRi libraries using GuideScan specificity scores removed these confounded sgRNAs and allowed for the identification of essential enhancers, which we validated extensively. Together, our results show off-target activity can severely limit identification of essential functional motifs by active Cas9, while strictly filtered CRISPRi screens can be reliably used for assaying larger regulatory elements.

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.