Abstract Type VI CRISPR enzymes have recently been identified as programmable RNA-guided, RNA-targeting Cas proteins with nuclease activity that allow for specific and robust target gene knock-down without altering the genome. However, we currently lack information about optimal Cas13 guide RNA designs for high target RNA knock-down efficacy. To close this gap, we conducted four massively-parallel Cas13 screens targeting the mRNA of a destabilized green fluorescent protein (GFP) transgene and CD46, CD55 and CD71 cell surface proteins in human cells. In total, we measured the activity of 24,460 guide RNA including 6,469 perfect match guide RNAs and a diverse set of guide RNA variants and permutations with mismatches relative to the target sequences. We find that guide RNAs show high diversity in knock-down efficiency driven by crRNA-specific features as well as target site context. Moreover, while single mismatches generally reduce knock-down to a modest degree, we identify a critical region spanning spacer nucleotides 15 – 21 that is largely intolerant to target site mismatches. We developed a computational model to identify guide RNAs with high knock-down efficacy. We confirmed the model’s generalizability across a large number of endogenous target mRNAs and show that Cas13 can be used in forward genetic pooled CRISPR-screens to identify essential genes. Using this model, we provide a resource of optimized Cas13 guide RNAs to target all protein-coding transcripts in the human genome, enabling transcriptome-wide forward genetic screens.

Major genomic deletions in independent eukaryotic lineages have led to repeated ancestral loss of biosynthesis pathways for nine of the twenty canonical amino acids 1 . While the evolutionary forces driving these polyphyletic deletion events are not well understood, the consequence is that extant metazoans are unable to produce nine essential amino acids (EAAs). Previous studies have highlighted that EAA biosynthesis tends to be more energetically costly 2,3 , raising the possibility that these pathways were lost from organisms with access to abundant EAAs in the environment 4,5 . It is unclear whether present-day metazoans can reaccept these pathways to resurrect biosynthetic capabilities that were lost long ago or whether evolution has rendered EAA pathways incompatible with metazoan metabolism. Here, we report progress on a large-scale synthetic genomics effort to reestablish EAA biosynthetic functionality in a mammalian cell. We designed codon-optimized biosynthesis pathways based on genes mined from Escherichia coli . These pathways were de novo synthesized in 3 kilobase chunks, assembled in yeasto and genomically integrated into a Chinese Hamster Ovary (CHO) cell line. One synthetic pathway produced valine at a sufficient level for cell viability and proliferation, and thus represents a successful example of metazoan EAA biosynthesis restoration. This prototrophic CHO line grows in valine-free medium, and metabolomics using labeled precursors verified de novo biosynthesis of valine. RNA-seq profiling of the valine prototrophic CHO line showed that the synthetic pathway minimally disrupted the cellular transcriptome. Furthermore, valine prototrophic cells exhibited transcriptional signatures associated with rescue from nutritional starvation. This work demonstrates that mammalian metabolism is amenable to restoration of ancient core pathways, thus paving a path for genome-scale efforts to synthetically restore metabolic functions to the metazoan lineage.

Abstract High-risk neuroblastomas, often associated with MYCN oncogene amplification, are addicted to polyamines, small polycations vital for cellular functioning. We have shown that neuroblastoma cells increase polyamine uptake when exposed to the polyamine biosynthesis inhibitor DFMO, currently in clinical trial, and that this mechanism limits the efficacy of the drug. While this finding resulted in the clinical development of polyamine transport inhibitors including AMXT 1501, presently under clinical investigation in combination with DFMO, the mechanisms and transporters involved in DFMO-induced polyamine uptake are unknown. Knockdown of ATP13A3, a member of the P5B-ATPase family, limited basal and DFMO-induced polyamine uptake, attenuated MYCN -amplified and non- MYCN -amplified neuroblastoma cell growth and potentiated the inhibitory effects of DFMO. Overexpression of ATP13A3 in neuroblastoma cells increased polyamine uptake, which was inhibited by AMXT 1501, highlighting ATP13A3 as a key target of the drug. The association between high ATP13A3 expression and poorer survival in neuroblastoma further supports a role of this transporter in neuroblastoma progression. Thus, this study identified ATP13A3 as a critical regulator of basal and DFMO-induced polyamine uptake and a novel therapeutic target for neuroblastoma. Graphical Abstract

OSCA/TMEM63 channels, which have transporter-like architectures, are bona fide mechanosensitive (MS) ion channels that sense high-threshold mechanical forces in eukaryotic cells. The activation mechanism of these transporter-like channels is not fully understood. Here we report cryo-EM structures of a dimeric OSCA/TMEM63 pore mutant OSCA1.1-F516A with a sequentially extracellular dilated pore in a detergent environment. These structures suggest that the extracellular pore sequential dilation resembles a flower blooming and couples to a sequential contraction of each monomer subunit towards the dimer interface and subsequent extrusion of the dimer interface lipids. Interestingly, while OSCA1.1-F516A remains non-conducting in the native lipid environment, it can be directly activated by lyso-phosphatidylcholine (Lyso-PC) with reduced single-channel conductance. Structural analysis of OSCA1.1-F516A in lyso-PC-free and lyso-PC-containing lipid nanodiscs indicates that lyso-PC induces intracellular pore dilation by attracting the M6b to upward movement away from the intracellular side thus extending the intracellular pore. Further functional studies indicate that full activation of MS OSCA/TMEM63 dimeric channels by high-threshold mechanical force also involves the opening of both intercellular and extracellular pores. Our results provide the fundamental activation paradigm of the unique transporter-like MS OSCA/TMEM63 channels, which is likely applicable to functional branches of the TMEM63/TMEM16/TMC superfamilies.

Abstract SHP2 ( PTPN11 ) acts upstream of SOS1/2 to enable RAS activation. Allosteric inhibitors (SHP2is) stabilize SHP2 auto-inhibition, preventing activation by upstream stimuli. SHP2is block proliferation of RTK- or cycling RAS mutant-driven cancers and overcome adaptive resistance to other RAS-ERK pathway drugs. Several SHP2is are in clinical trials. To identify potential SHP2i resistance mechanisms, we performed genome-wide CRISPR/Cas9 knockout screens on two SHP2i-sensitive AML cell lines and recovered genes expected to cause resistance, including tumor suppressor ( NF1 , PTEN , CDKN1B ) and “RASopathy” ( LZTR1 , RASA2 ) genes, and several novel targets ( INPPL1 , MAP4K5, epigenetic modifiers). We then screened 14 cancer lines with a focused CRISPR library targeting common “hits” from the genome-wide screens. LZTR1 deletion conferred resistance in 12/14 lines, followed by MAP4K5 (8/14), SPRED2 (6/14), STK40 (6/14), and INPPL1 (5/14). INPPL1 , MAP4K5 , or LZTR1 deletion reactivated ERK signaling. INPPL1-mediated sensitization to SHP2i required its NPXY motif but not its lipid phosphatase domain. MAP4K5 acted upstream of MEK via a kinase-dependent target(s), whereas LZTR1 showed cell-dependent effects on RIT and RAS stability. INPPLI , MAP4K5 , or LZTR1 deletion also conferred SHP2i resistance in mice. Our results reveal multiple SHP2i resistance genes, emphasizing the need for detailed understanding of the resistance landscape to arrive at effective combinations.

Abstract Aberrant epigenetic regulation is a hallmark of Diffuse Midline Glioma (DMG), an incurable pediatric brain tumor. The H3K27M driver histone mutation leads to transcriptional dysregulation, indicating that targeting the epigenome and transcription may be key therapeutic strategies against this highly aggressive cancer. One such target is the Facilitates Chromatin Transcription (FACT) histone chaperone. We found FACT to be enriched at developmental gene promoters, coinciding with regions of open chromatin and binding motifs of core DMG regulatory transcription factors. Furthermore, FACT interacted and co-localized with the Bromodomain and Extra-Terminal Domain (BET) protein BRD4 at promoters and enhancers, suggesting functional cooperation between FACT and BRD4 in DMG. In vitro , a combinatorial therapeutic approach using the FACT inhibitor CBL0137, coupled with BET inhibition revealed potent and synergistic cytotoxicity across a range of DMG cultures, with H3K27M-mutant cells demonstrating heightened sensitivity. These results were recapitulated in vivo , significantly extending survival in three independent orthotopic PDX models of DMG. Mechanistically, we show that CBL0137 treatment decreased chromatin accessibility, synergizing with BET inhibition to disrupt transcription, silencing several key oncogenes including MYC, PDGFRA and MDM4 , as well as causing alterations to the splicing landscape. Combined, these data highlight the therapeutic promise of simultaneously targeting FACT and BRD4 in DMG, proposing a novel strategy for combating this devastating pediatric brain tumor.

A key limitation of the commonly-used CRISPR enzyme S. pyogenes Cas9 is the strict requirement of an NGG protospacer-adjacent motif (PAM) at the target site, which reduces the number of accessible genomic loci. This constraint can be limiting for genome editing applications that require precise Cas9 positioning. Recently, two Cas9 variants with a relaxed PAM requirement (NG) have been developed (xCas9 and Cas9-NG) but their activity has been measured at only a small number of endogenous sites. Here we devised a high-throughput Cas9 pooled competition screen to compare the performance of both PAM-flexible Cas9 variants and wild-type Cas9 at thousands of genomic loci and across 3 modalities (gene knock-out, transcriptional activation and suppression). We show that PAM flexibility comes at a substantial cost of decreased DNA targeting and cutting. Of the PAM-flexible variants, we found that Cas9-NG outperforms xCas9 regardless of genome engineering modality or PAM. Finally, we combined xCas9 mutations with those of Cas9-NG, creating a stronger transcriptional modulator than existing PAM-flexible Cas9 variants.

PIEZO channels transmit mechanical force signals to cells, allowing them to make critical decisions during development and in pathophysiological conditions. Their fast/slow inactivation modes have been implicated in mechanopathologies, but remain poorly understood. Here, we report several near-atomic resolution cryo-EM structures of fast-inactivating wild-type human PIEZO1 (hPIEZO1) and its slow-inactivating channelopathy mutants with or without its auxiliary subunit MDFIC. Our results suggest that the faster inactivating hPIEZO1 has a more flattened and extended architecture than the slower inactivating curved mouse PIEZO1 (mPIEZO1). The multi-lipidated MDFIC subunits insert laterally into the hPIEZO1 pore module like mPIEZO1, resulting in a more curved and extended state. Interestingly, the high-resolution structures suggest that the pore lipids, which directly seal the central hydrophobic pore, are involved in the rapid inactivation of hPIEZO1. While the severe hereditary erythrocytosis mutant R2456H significantly slows down the inactivation of hPIEZO1, the hPIEZO1-R2456H-MDFIC complex shows a more curved and contracted structure with an inner helix twist due to the broken link between the pore lipid and R2456H. These results suggest that the pore lipids may be involved in the mechanopathological rapid inactivation mechanism of PIEZO channels.