Despite progress in defining genetic risk for psychiatric disorders, their molecular mechanisms remain elusive. Addressing this, the PsychENCODE Consortium has generated a comprehensive online resource for the adult brain across 1866 individuals. The PsychENCODE resource contains ~79,000 brain-active enhancers, sets of Hi-C linkages, and topologically associating domains; single-cell expression profiles for many cell types; expression quantitative-trait loci (QTLs); and further QTLs associated with chromatin, splicing, and cell-type proportions. Integration shows that varying cell-type proportions largely account for the cross-population variation in expression (with >88% reconstruction accuracy). It also allows building of a gene regulatory network, linking genome-wide association study variants to genes (e.g., 321 for schizophrenia). We embed this network into an interpretable deep-learning model, which improves disease prediction by ~6-fold versus polygenic risk scores and identifies key genes and pathways in psychiatric disorders.

Summary The COVID-19 pandemic affects millions of people worldwide with a rising death toll. The causative agent, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), uses its nonstructural protein 1 (Nsp1) to redirect host translation machinery to the viral RNA by binding to the ribosome and suppressing cellular, but not viral, protein synthesis through yet unknown mechanisms. We show here that among all viral proteins, Nsp1 has the largest impact on host viability in the cells of human lung origin. Differential expression analysis of mRNA-seq data revealed that Nsp1 broadly alters the transcriptome in human cells. The changes include repression of major gene clusters in ribosomal RNA processing, translation, mitochondria function, cell cycle and antigen presentation; and induction of factors in transcriptional regulation. We further gained a mechanistic understanding of the Nsp1 function by determining the cryo-EM structure of the Nsp1-40S ribosomal subunit complex, which shows that Nsp1 inhibits translation by plugging the mRNA entry channel of the 40S. We also determined the cryo-EM structure of the 48S preinitiation complex (PIC) formed by Nsp1, 40S, and the cricket paralysis virus (CrPV) internal ribosome entry site (IRES) RNA, which shows that this 48S PIC is nonfunctional due to the incorrect position of the 3’ region of the mRNA. Results presented here elucidate the mechanism of host translation inhibition by SARS-CoV-2, provide insight into viral protein synthesis, and furnish a comprehensive understanding of the impacts from one of the most potent pathogenicity factors of SARS-CoV-2. Highlights ORF screen identified Nsp1 as a major cellular pathogenicity factor of SARS-CoV-2 Nsp1 broadly alters the gene expression programs in human cells Nsp1 inhibits translation by blocking mRNA entry channel Nsp1 prevents physiological conformation of the 48S PIC

Natural killer (NK) cells are an innate immune cell type that serves at the first level of defense against pathogens and cancer. NK cells have clinical potential, however, multiple current limitations exist that naturally hinder the successful implementation of NK cell therapy against cancer, including their effector function, persistence, and tumor infiltration. To unbiasedly reveal the functional genetic landscape underlying critical NK cell characteristics against cancer, we perform perturbomics mapping of tumor infiltrating NK cells by joint in vivo AAV-CRISPR screens and single cell sequencing. We establish a strategy with AAV-SleepingBeauty(SB)- CRISPR screening leveraging a custom high-density sgRNA library targeting cell surface genes, and perform four independent in vivo tumor infiltration screens in mouse models of melanoma, breast cancer, pancreatic cancer, and glioblastoma. In parallel, we characterize single-cell transcriptomic landscapes of tumor-infiltrating NK cells, which identifies previously unexplored sub-populations of NK cells with distinct expression profiles, a shift from immature to mature NK (mNK) cells in the tumor microenvironment (TME), and decreased expression of mature marker genes in mNK cells. CALHM2, a calcium homeostasis modulator that emerges from both screen and single cell analyses, shows both in vitro and in vivo efficacy enhancement when perturbed in chimeric antigen receptor (CAR)-NK cells. Differential gene expression analysis reveals that CALHM2 knockout reshapes cytokine production, cell adhesion, and signaling pathways in CAR- NKs. These data directly and systematically map out endogenous factors that naturally limit NK cell function in the TME to offer a broad range of cellular genetic checkpoints as candidates for future engineering to enhance NK cell-based immunotherapies.

Abstract The Omicron sub-lineage BA.2 of SARS-CoV-2 has recently become dominant across many areas in the world in the on-going waves of COVID-19. Compared to the ancestral/wild-type (WT) virus, Omicron lineage variants, both BA.1 and BA.2, contain high number of mutations, especially in the spike protein, causing significant immune escape that leads to substantial reduction of vaccine and antibody efficacy. Because of this antigenic drift, BA.2 exhibited differential resistance profile to monoclonal antibodies than BA.1. Thus, it is important to understand whether the immunity elicited by currently available vaccines are effective against the BA.2 subvariant. We directly tested the heterotypic vaccination responses against Omicron BA.2, using vaccinated serum from animals receiving WT- and variant-specific mRNA vaccine in lipid nanoparticle (LNP) formulations. Omicron BA.1 and BA.2 antigen showed similar reactivity to serum antibodies elicited by two doses of WT, B.1.351 and B.1.617 LNP-mRNAs. Neutralizing antibody titers of B.1.351 and B.1.617 LNP-mRNA were ~2-fold higher than that of WT LNP-mRNA. Both homologous boosting with WT LNP-mRNA and heterologous boosting with BA.1 LNP-mRNA substantially increased waning immunity of WT vaccinated mice against both BA.1 and BA.2 subvariants. The BA.1 LNP-mRNA booster was ~3-fold more efficient than WT LNP-mRNA at elevating neutralizing antibody titers of BA.2. Together, these data provided a direct preclinical evaluation of WT and variant-specific LNP-mRNAs in standard two-dose and as boosters against BA.1 and BA.2 subvariants.

Abstract T cell receptor (TCR) repertoires are critical for antiviral immunity. Determining the TCR repertoires composition, diversity, and dynamics and how they change during viral infection can inform the molecular specificity of viral infection such as SARS-CoV-2. To determine signatures associated with COVID-19 disease severity, here we performed a large-scale analysis of over 4.7 billion sequences across 2,130 TCR repertoires from COVID-19 patients and healthy donors. TCR repertoire analyses from these data identified and characterized convergent COVID-19 associated CDR3 gene usages, specificity groups, and sequence patterns. T cell clonal expansion was found to be associated with upregulation of T cell effector function, TCR signaling, NF-kB signaling, and Interferon-gamma signaling pathways. Machine learning approaches accurately predicted disease severity for patients based on TCR sequence features, with certain high-power models reaching near-perfect AUROC scores across various predictor permutations. These analyses provided an integrative, systems immunology view of T cell adaptive immune responses to COVID-19.

Abstract Lipid-nanoparticle(LNP)-mRNA vaccines offer protection against COVID-19. However, multiple variant lineages caused widespread breakthrough infections. There is no report on variant-specific vaccines to date. Here, we generated LNP-mRNAs specifically encoding wildtype, B.1.351 and B.1.617 SARS-CoV-2 spikes, and systematically studied their immune responses in animal models. All three LNP-mRNAs induced potent antibody responses in mice. However, WT-LNP-mRNA vaccination showed reduced neutralization against B.1.351 and B.1.617; and B.1.617-specific vaccination showed differential neutralization. All three vaccine candidates elicited antigen-specific CD8 and CD4 T cell responses. Single cell transcriptomics of B.1.351-LNP-mRNA and B.1.617-LNP-mRNA vaccinated animals revealed a systematic landscape of immune cell populations and global gene expression. Variant-specific vaccination induced a systemic increase in reactive CD8 T cell population, with a strong signature of transcriptional and translational machineries in lymphocytes. BCR-seq and TCR-seq unveiled repertoire diversity and clonal expansions in vaccinated animals. These data provide direct systems immune profiling of variant-specific LNP-mRNA vaccination in vivo .

Abstract Immune evasion is a critical step of cancer progression that remains a major obstacle for current T cell-based immunotherapies. Hence, we seek to genetically reprogram T cells to exploit a common tumor-intrinsic evasion mechanism, whereby cancer cells suppress T cell function by generating a metabolically unfavorable tumor microenvironment (TME). Specifically, we use an in silico screen to identify ADA and PDK1 as metabolic regulators, in which gene overexpression (OE) enhances the cytolysis of CD19-specific CD8 CAR-T cells against cognate leukemia cells, and conversely, ADA or PDK1 deficiency dampens such effect. ADA -OE in CAR-T cells improves cancer cytolysis under high concentrations of adenosine, the ADA substrate and an immunosuppressive metabolite in the TME. High-throughput transcriptomics and metabolomics in these CAR-Ts reveal alterations of global gene expression and metabolic signatures in both ADA- and PDK1- engineered CAR-T cells. Functional and immunological analyses demonstrate that ADA -OE increases proliferation and decreases exhaustion in α-CD19 and α-HER2 CAR-T cells. ADA-OE improves tumor infiltration and clearance by α-HER2 CAR-T cells in an in vivo colorectal cancer model. Collectively, these data unveil systematic knowledge of metabolic reprogramming directly in CAR-T cells, and reveal potential targets for improving CAR-T based cell therapy. Synopsis The authors identify the adenosine deaminase gene (ADA) as a regulatory gene that reprograms T cell metabolism. ADA-overexpression (OE) in α-CD19 and α-HER2 CAR-T cells increases proliferation, cytotoxicity, memory, and decreases exhaustion, and ADA-OE α-HER2 CAR-T cells have enhanced clearance of HT29 human colorectal cancer tumors in vivo .

Abstract Immunotherapy has transformed cancer treatments; however, a large fraction of patients encounter resistance. Such resistance is mediated by complex factors, often involving interactions between multiple genes. Thus, it is crucially important to identify genetic interactions between genes that are significantly mutated in cancer patients and those involved in immune responses, ideally the ones that currently have chemical compounds for direct targeting. To systematically interrogate such genetic interactions that mediate cancer cells’ response to T cell killing, we designed an asymmetric CRISPR/Cas9 dual perturbation library targeting the matched combinations between significantly mutated tumor suppressors and immune resistance genes. We performed a combinatorial double knockout screen on 1,159 gene pairs and identified those where joint loss-of-function renders altered cellular response to T cell cytotoxicity. With individual double knockout constructs we validated these genetic interactions including Jak1-Trp53, Jak1-Kmt2d , and Ifngr1-Kmt2d . Interactions between significantly mutated tumor suppressors and potentially druggable immune resistance genes may offer insights on potential new concepts of how to target clinically relevant cancer mutations with currently available agents. This study also provides a technology platform and an asymmetric CRISPR double knockout library for interrogating genetic interactions between cancer mutations and immune resistance pathways under various settings.