Human pluripotent stem cells (hPSCs) offer a unique platform for elucidating the genes and molecular pathways that underlie complex traits and diseases. To realize this promise, methods for rapid and controllable genetic manipulations are urgently needed. By combining two newly developed gene-editing tools, the TALEN and CRISPR/Cas systems, we have developed a genome-engineering platform in hPSCs, which we named iCRISPR. iCRISPR enabled rapid and highly efficient generation of biallelic knockout hPSCs for loss-of-function studies, as well as homozygous knockin hPSCs with specific nucleotide alterations for precise modeling of disease conditions. We further demonstrate efficient one-step generation of double- and triple-gene knockout hPSC lines, as well as stage-specific inducible gene knockout during hPSC differentiation. Thus the iCRISPR platform is uniquely suited for dissection of complex genetic interactions and pleiotropic gene functions in human disease studies and has the potential to support high-throughput genetic analysis in hPSCs.

Pluripotent stem cells have remarkable self-renewal capacity: the ability to proliferate indefinitely while maintaining the pluripotent identity essential for their ability to differentiate into almost any cell type in the body. To investigate the interplay between these two aspects of self-renewal, we perform four parallel genome-scale CRISPR-Cas9 loss-of-function screens interrogating stem cell fitness in hPSCs and the dissolution of primed pluripotent identity during early differentiation. These screens distinguish genes with distinct roles in pluripotency regulation, including mitochondrial and metabolism regulators crucial for stem cell fitness, and chromatin regulators that control pluripotent identity during early differentiation. We further identify a core set of genes controlling both stem cell fitness and pluripotent identity, including a network of chromatin factors. Here, unbiased screening and comparative analyses disentangle two interconnected aspects of pluripotency, provide a valuable resource for exploring pluripotent stem cell identity versus cell fitness, and offer a framework for categorizing gene function.

Abstract Radiotherapy (RT), is a fundamental treatment for malignant tumors and is used in over half of cancer patients. As radiation can promote anti-tumor immune effects, a promising therapeutic strategy is to combine radiation with immune checkpoint inhibitors (ICIs). However, the genetic determinants that impact therapeutic response in the context of combination therapy with radiation and ICI have not been systematically investigated. To unbiasedly identify the tumor intrinsic genetic factors governing such responses, we perform a set of genome-scale CRISPR screens in melanoma cells for cancer survival in response to low-dose genotoxic radiation treatment, in the context of CD8 T cell co-culture and with anti-PD1 checkpoint blockade antibody. Two actin capping proteins, Capza3 and Capg , emerge as top hits that upon inactivation promote the survival of melanoma cells in such settings. Capza3 and Capg knockouts (KOs) in mouse and human cancer cells display persistent DNA damage due to impaired homology directed repair (HDR); along with increased radiation, chemotherapy, and DNA repair inhibitor sensitivity. However, when cancer cells with these genes inactivated were exposed to sublethal radiation, inactivation of such actin capping protein promotes activation of the STING pathway, induction of inhibitory CEACAM1 ligand expression and resistance to CD8 T cell killing. Patient cancer genomics analysis reveals an increased mutational burden in patients with inactivating mutations in CAPG and/or CAPZA3 , at levels comparable to other HDR associated genes. There is also a positive correlation between CAPG expression and activation of immune related pathways and CD8 T cell tumor infiltration. Our results unveil the critical roles of actin binding proteins for efficient HDR within cancer cells and demonstrate a previously unrecognized regulatory mechanism of therapeutic response to radiation and immunotherapy.

Background: Pre-operative chemoradiation for rectal cancer is often associated with severe gastrointestinal (GI) toxicity which can interrupt, delay, and/or lead to termination of treatment. In this study, we evaluated whether the addition of YIV-906, a novel herbal medicine proven to reduce GI toxicity associated with chemotherapy could also reduce GI side effects during standard pre-operative capecitabine and pelvic radiation therapy (RT) in the neoadjuvant setting for the treatment of locally advanced rectal cancer. Methods: This single arm clinical study enrolled 24 patients between Dec 23, 2014–Sep 17, 2018 at Smilow Cancer Hospital, a comprehensive cancer center at Yale New Haven Hospital. All patients were age ≥18 years, Eastern Cooperative Oncology Group 0–1 and with histologically confirmed T3–T4 and N0–N2, M0 adenocarcinoma of the rectum. Median follow-up was 61.9 months. All patients received concurrent pelvic external beam RT (50.4 Gy in 28 fractions), YIV-906 (taken orally 800 mg twice daily on days 1–4 of RT each week), and oral capecitabine delivered in a neo-adjuvant fashion, followed by definitive surgery. Toxicity was assessed weekly during radiation and until acute symptoms resolved and then at 28 days, 4 months, 7 months and 10 months. Toxicities were graded in accordance with Common Terminology Criteria for Adverse Events (CTCAE) version 4.0. Results: At the time of surgery, 4 patients (16.7%) had a complete or near-complete response. At a median follow-up of 61.9 months, the mean overall survival (OS) of our patient cohort was 74.9 months [95% confidence interval (CI): 67.3–82.5]. The estimated 5-year OS was 82.0%. We observed 0% acute grade 4 toxicities, and only two cases of acute grade 3 diarrhea (8.3%). Conclusions: The addition of YIV-906 to capecitabine based chemoradiation for locally advanced rectal cancer led to reduced rates of GI toxicity compared to historical controls, in particular grade 3 or greater diarrhea. These findings suggest YIV-906 should be evaluated in a randomized clinical trial to further assess potential reductions in the toxicity profile of chemoradiation for GI cancers.

Emerging immunotherapies such as immune checkpoint blockade (ICB) and chimeric antigen receptor T-cell (CAR-T) therapy have revolutionized cancer treatment and have improved the survival of patients with multiple cancer types. Despite this success many patients are unresponsive to these treatments or relapse following treatment. CRISPR activation and knockout (KO) screens have been used to identify novel single gene targets that can enhance effector T cell function and promote immune cell targeting and eradication of tumors. However, cancer cells often employ multiple genes to promote an immunosuppressive pathway and thus modulating individual genes often has a limited effect. Paralogs are genes that originate from common ancestors and retain similar functions. They often have complex effects on a particular phenotype depending on factors like gene family similarity, each individual gene's expression and the physiological or pathological context. Some paralogs exhibit synthetic lethal interactions in cancer cell survival; however, a thorough investigation of paralog pairs that could enhance the efficacy of cancer immunotherapy is lacking. Here we introduce a sensitive computational approach that uses sgRNA sets enrichment analysis to identify cancer-intrinsic paralog pairs which have the potential to synergistically enhance T cell-mediated tumor destruction. We have further developed an ensemble learning model that uses an XGBoost classifier and incorporates features such as gene characteristics, sequence and structural similarities, protein-protein interaction (PPI) networks, and gene coevolution data to predict paralog pairs that are likely to enhance immunotherapy efficacy. We experimentally validated the functional significance of these predicted paralog pairs using double knockout (DKO) of identified paralog gene pairs as compared to single gene knockouts (SKOs). These data and analyses collectively provide a sensitive approach to identify previously undetected paralog pairs that can enhance cancer immunotherapy even when individual genes within the pair has a limited effect.

Pluripotent stem cells are defined by both the ability to unlimitedly self-renew and differentiate to any somatic cell lineage, but understanding the mechanisms that control stem cell fitness versus the pluripotent cell identity is challenging. We performed four parallel genome-scale CRISPR-Cas9 screens to investigate the interplay between these two aspects of pluripotency. Our comparative analyses led to the discovery of genes with distinct roles in pluripotency regulation, including many mitochondrial and metabolism regulators crucial for stem cell fitness, and chromatin regulators that control stem cell identity. We further discovered a core set of factors that control both stem cell fitness and pluripotency identity, including an interconnected network of chromatin factors that safeguard pluripotency. Our unbiased and systematic screening and comparative analyses disentangle two interconnected aspects of pluripotency, provide rich datasets for exploring pluripotent cell identity versus self-renewal, and offer a valuable model for categorizing gene function in broad biological contexts.