SUMMARY Cohesin-mediated loop extrusion folds interphase chromosomes at the ten to hundreds kilobases scale. This process produces structural features such as loops and topologically associating domains. We identify three types of cis -elements that define the chromatin folding landscape generated by loop extrusion. First, CTCF sites form boundaries by stalling extruding cohesin, as shown before. Second, transcription termination sites form boundaries by acting as cohesin unloading sites. RNA polymerase II contributes to boundary formation at transcription termination sites. Third, transcription start sites form boundaries that are mostly independent of cohesin, but are sites where cohesin can pause. Together with cohesin loading at enhancers, and possibly other cis -elements, these loci create a dynamic pattern of cohesin traffic along the genome that guides enhancer-promoter interactions. Disturbing this traffic pattern, by removing CTCF barriers, renders cells sensitive to knock-out of genes involved in transcription initiation, such as the SAGA and TFIID complexes, and RNA processing such DEAD-Box RNA helicases. In the absence of CTCF, several of these factors fail to be efficiently recruited to active promoters. We propose that the complex pattern of cohesin movement along chromatin contributes to appropriate promoter-enhancer interactions and localization of transcription and RNA processing factors to active genes. HIGHLIGHTS At least three types of chromatin boundaries regulate a cohesin traffic pattern. The cohesin traffic pattern guides enhancer-promoter interactions. Removing CTCF renders cells sensitive to deletion of RNA processing and gene regulation genes. Depleting CTCF affects localization of RNA processing and gene regulatory proteins.

Abstract The ability to switch a gene from off to on and monitor dynamic changes provides a powerful approach for probing gene function and elucidating causal regulatory relationships, including instances of feedback control. Here, we developed and characterized YETI (Yeast Estradiol strains with Titratable Induction), a collection in which 5,687 yeast genes are engineered for transcriptional inducibility with single-gene precision at their native loci and without plasmids. Each strain contains Synthetic Genetic Array (SGA) screening markers and a unique molecular barcode, enabling high-throughput yeast genetics. We characterized YETI using quantitative growth phenotyping and pooled BAR-seq screens, and we used a YETI allele to characterize the regulon of ROF1, showing that it is a transcriptional repressor. We observed that strains with inducible essential genes that have low native expression can often grow without inducer. Analysis of data from other eukaryotic and prokaryotic systems shows that low native expression is a critical variable that can bias promoter-perturbing screens, including CRISPRi. We engineered a second expression system, Z 3 EB42, that gives lower expression than Z 3 EV, a feature enabling both conditional activation and repression of lowly expressed essential genes that grow without inducer in the YETI library.

SUMMARY Most eukaryotic proteins are N-terminally acetylated, but the functional impact on a global scale has remained obscure. Using genome-wide CRISPR knockout screens in human cells, we reveal a strong genetic dependency between a major N-terminal acetyltransferase and specific ubiquitin ligases. Biochemical analyses uncover that both the ubiquitin ligase complex UBR4-KCMF1 and the acetyltransferase NatC recognize proteins bearing an unacetylated N-terminal methionine followed by a hydrophobic residue. NatC KO-induced protein degradation and phenotypes are reversed by UBR knockdown, demonstrating the central cellular role of this interplay. We reveal that loss of Drosophila NatC is associated with male sterility, reduced longevity, and age-dependent loss of motility due to developmental muscle defects. Remarkably, muscle-specific overexpression of UbcE2M, one of the proteins targeted for NatC KO mediated degradation, suppresses defects of NatC deletion. In conclusion, NatC-mediated N-terminal acetylation acts as a protective mechanism against protein degradation, which is relevant for increased longevity and motility. In Brief Varland, Silva et al . define that a major cellular role of N-terminal acetylation is shielding proteins from proteasomal degradation by specific ubiquitin ligases. The human N-terminal acetyltransferase NatC protects the neddylation regulator UBE2M from degradation, while overexpression of Drosophila UBE2M/UbcE2M rescues the longevity and motility defects of NatC deletion. Highlights N-terminal acetylation by NatC protects proteins from degradation, including UBE2M UBR4-KCMF1 targets unacetylated N-terminal Met followed by a hydrophobic residue Drosophila NatC is required for adult longevity and motility in elderly Overexpression of UBE2M/UbcE2M suppresses Drosophila NatC deletion phenotypes

The adaptation of CRISPR/Cas9 technology to mammalian cell lines is transforming the study of human functional genomics. Pooled libraries of CRISPR guide RNAs (gRNAs), targeting human protein-coding genes and encoded in viral vectors, have been used to systematically create gene knockouts in a variety of human cancer and immortalized cell lines, in an effort to identify whether these knockouts cause cellular fitness defects. Previous work has shown that CRISPR screens are more sensitive and specific than pooled library shRNA screens in similar assays, but currently there exists significant variability across CRISPR library designs and experimental protocols. In this study, we re-analyze 17 genome-scale knockout screens in human cell lines from three research groups using three different genome-scale gRNA libraries, using the Bayesian Analysis of Gene Essentiality (BAGEL) algorithm to identify essential genes, to refine and expand our previously defined set of human core essential genes, from 360 to 684 genes. We use this expanded set of reference Core Essential Genes (CEG2), plus empirical data from six CRISPR knockout screens, to guide the design of a sequence-optimized gRNA library, the Toronto KnockOut version 3.0 (TKOv3) library. We demonstrate the high effectiveness of the library relative to reference sets of essential and nonessential genes as well as other screens using similar approaches. The optimized TKOv3 library, combined with the CEG2 reference set, provide an efficient, highly optimized platform for performing and assessing gene knockout screens in human cell lines.

Endocytosis is a conserved process that mediates the internalization of nutrients and plasma membrane components, including receptors, for sorting to endosomes and the vacuole (lysosome). We combined systematic yeast genetics, high-content screening, and neural network-based image analysis of single cells to screen for genes that influence the morphology of four main endocytic compartments: coat proteins, actin patches, late endosome, and vacuole. This unbiased approach identified 17 mutant phenotypes and ~1600 genes whose perturbation affected at least one of the four compartments. Numerous mutants were associated with multiple phenotypes, indicating that morphological pleiotropy is often seen within the endocytic pathway. Morphological profiles based on the 17 aberrant phenotypes were highly correlated for functionally related genes, enabling prediction of gene function. Incomplete penetrance was prevalent, and single-cell analysis enabled exploration of the mechanisms underlying cellular heterogeneity, which include replicative age, organelle inheritance, and stress response.

The de novo synthesis of fatty acids has emerged as a therapeutic target for various diseases including cancer. While several translational efforts have focused on direct perturbation of de novo fatty acid synthesis, only modest responses have been associated with mono-therapies. Since cancer cells are intrinsically buffered to combat metabolic stress, cells may adapt to loss of de novo fatty acid biosynthesis. To explore cellular response to defects in fatty acid synthesis, we used pooled genome-wide CRISPR screens to systematically map genetic interactions (GIs) in human HAP1 cells carrying a loss-of-function mutation in FASN, which catalyzes the formation of long-chain fatty acids. FASN mutant cells showed a strong dependence on lipid uptake that was reflected by negative GIs with genes involved in the LDL receptor pathway, vesicle trafficking, and protein glycosylation. Further support for these functional relationships was derived from additional GI screens in query cell lines deficient for other genes involved in lipid metabolism, including LDLR, SREBF1, SREBF2, ACACA. Our GI profiles identified a potential role for a previously uncharacterized gene LUR1 (C12orf49) in exogenous lipid uptake regulation. Overall, our data highlights the genetic determinants underlying the cellular adaptation associated with loss of de novo fatty acid synthesis and demonstrate the power of systematic GI mapping for uncovering metabolic buffering mechanisms in human cells.