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.

Genome-scale functional genetic screens can identify key regulators of a phenotype of interest, such as determinants of protein expression or modification. Here, we present a rapid, high-throughput approach to phenotypic CRISPR-Cas9 screening. To study factors that modulate the display of CD47 on the cell surface, we processed an entire genome-wide screen containing more than 108 cells in under one hour and maintained high levels of cell viability using a highly scalable cell sorting technology. We robustly identified modulators of CD47 function including QPCTL, an enzyme required for formation of the pyroglutamyl modification at the N-terminus of this protein.

Abstract Transcription factors (TFs) are key components of the aberrant transcriptional programs in cancer cells. In this study, we used TF activity (TFa), inferred from the downstream regulons as a potential biomarker to identify associated genetic vulnerabilities in cancer cells. Our linear model framework, integrating TFa and genome-wide CRISPR knockout datasets identified 1,770 candidate TFa-target pairs across different cancer types and assessed their survival impact in patient data. As a proof of concept, through inhibitor screens and genetic depletion assays in cell lines, we validated the dependency of cell lines on predicted targets linked to TEAD1, the most prominent TF from our analysis. Overall, these candidate pairs represent an attractive resource for early-stage targets and drug discovery programs in oncology.

Clinical effectiveness of KRAS G12C inhibitors (G12Cis) is limited both by intrinsic and acquired resistance, necessitating the development of combination approaches. We found that targeting proximal receptor tyrosine kinase (RTK) signaling using the SOS1 inhibitor (SOS1i) BI-3406 both enhanced the potency of and delayed resistance to G12Ci treatment, but the extent of SOS1i effectiveness was modulated by both SOS2 expression and the specific mutational landscape. SOS1i enhanced the efficacy of G12Ci and limited rebound RTK/ERK signaling to overcome intrinsic/adaptive resistance, but this effect was modulated by SOS2 protein levels. Survival of drug-tolerant persister (DTP) cells within the heterogeneous tumor population and/or acquired mutations that reactivate RTK/RAS signaling can lead to outgrowth of tumor initiating cells (TICs) that drive therapeutic resistance. G12Ci drug tolerant persister cells showed a 2-3-fold enrichment of TICs, suggesting that these could be a sanctuary population of G12Ci resistant cells. SOS1i re-sensitized DTPs to G12Ci and inhibited G12C-induced TIC enrichment. Co-mutation of the tumor suppressor KEAP1 limits the clinical effectiveness of G12Cis, and KEAP1 and STK11 deletion increased TIC frequency and accelerated the development of acquired resistance to G12Ci in situ. SOS1i both delayed acquired G12Ci resistance and limited the total number of resistant colonies regardless of KEAP1 and STK11 mutational status. These data suggest that SOS1i could be an effective strategy to both enhance G12Ci efficacy and prevent G12Ci resistance regardless of co-mutations.

Abstract Genetic networks are characterized by extensive buffering. During tumour evolution, disruption of these functional redundancies can create de novo vulnerabilities that are specific to cancer cells. In this regard, paralog genes are of particular interest, as the loss of one paralog gene can render tumour cells dependent on a remaining paralog. To systematically identify cancer-relevant paralog dependencies, we searched for candidate dependencies using CRISPR screens and publicly available loss-of-function datasets. Our analysis revealed >2,000 potential candidate dependencies, several of which were subsequently experimentally validated. We provide evidence that DNAJC15-DNAJC19, FAM50A-FAM50B and RPP25-RPP25L are novel cancer relevant paralog dependencies. Importantly, our analysis also revealed unexpected redundancies between sex chromosome genes. We show that chrX- and chrY- encoded paralogs, as exemplified by ZFX-ZFY, DDX3X-DDX3Y and EIF1AX-EIF1AY , are functionally linked so that tumour cell lines from male patients with Y-chromosome loss become exquisitely dependent on the chrX-encoded gene. We therefore propose genetic redundancies between chrX- and chrY- encoded paralogs as a general therapeutic strategy for human tumours that have lost the Y-chromosome.